Development of a three-arm integrated photonic interferometer for quantum sensing applications

Quantum metrology is an emerging area of metrology, the science of measurements, in both theoretical and experimental aspects. It is focused mainly in the development of new methods of measurements, especially employing quantum techniques. In this way it is possible to achieve an enhancement in the measured parameter estimation, overcoming the bounds that classical physics imposes.\\ The aim of this thesis work is the design, the fabrication and the characterization of an integrated three modes Mach-Zehnder interferometer, with actively reconfigurable phases. Such a device is the ideal platform for testing several quantum metrology algorithms for simultaneous multi-parameters estimation, if probed with non-classical states of light. The fabrication technique adopted is that of Femtosecond Laser Micromachining (FLM): a cost effective and very reliable fabrication method for producing high quality optical circuits with complex geometries, ideal for scientific investigation purposes. Besides the design and the fabrication details, we also present here a full characterization of the three-arms interferometer with classical light, which validates its correct functioning.

La metrologia quantistica è un campo emergente della metrologia, la scienza della misura nei suoi aspetti sia teorici che pratici. In particolare è focalizzata sullo sviluppo di nuovi metodi di misura, specialmente attraverso l'impiego di tecniche quantistiche. In questo modo è possibile ottenere un miglioramento nella stima dei parametri misurati, oltrepassando il limite imposto dalla fisica classica. Lo scopo della tesi è la progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di un interferometro integrato Mach-Zehnder a tre braccia, con fasi attivamente riconfigurabili. Tale dispositivo è ideale per testare alcuni algoritmi di metrologia quantistica per la stima simultanea di più parametri. La tecnica di fabbricazione adottata è il Femtosecond Laser Micromachining (FLM): un metodo economico e affidabile per la produzione di circuiti ottici di alta qualità con geometrie complesse, ideali per scopi di ricerca scientifica. Oltre ai dettagli circa la progettazione e fabbricazione, presentiamo qui i risultati di una completa caratterizzazione in luce classica dell'interferometro a tre braccia dimostrandone il corretto funzionamento.