Femtosecond laser writing of an integrated optical chip for quantum simulation

Quantum technology is a relatively new and rapidly developing field. There are several physical platforms which are considered to be promising for implementing a quantum hardware: encouraging results have been achieved using, among the others, cold atoms, trapped ions, superconductive circuits and photons. This Thesis deals with the realization of a reconfigurable integrated optical device which is going to be the core component of an experiment consisting in the photonic quantum simulation of many body systems, in particular of the Benzene molecule. The chip was fabricated using the femtosecond laser micromachining technique on a borosilicate glass substrate. Two metallic layer of Chromium and Gold were deposited on the surface of glass and thermal phase shifters were machined on it, in order to obtain a full reconfigurability of the optical circuit. A classical characterization of the device showed the good properties of the chip both in terms of transmission and reconfigurability. The reproducibility of the new fabrication processes, developed to meet the stringent specifications needed for the quantum experiment, was also tested through the many prototypes realized before the final device.

Quello delle tecnologie quantistiche è un settore relativamente nuovo ed in rapida espansione. Ci sono varie e promettenti implementazioni di hardware quantistici, realizzate su diversi sistemi fisici, fra cui: atomi freddi, ioni intrappolati, circuiti superconduttivi e fotoni. Questa Tesi descrive la realizzazione di un dispositivo ottico integrato e riconfigurabile. Esso sarà la pietra angolare di un esperimento che consiste nella simulazione quantistica di sistemi multicorpi, in particolare della molecola del Benzene. Il circuito è stato fabbricato usando la tecnica della Femtosecond Laser Micromachining su un substrato di vetro (un borosilicato). Due film metallici sono stati depositati sulla superficie del vetro e degli sfasatori termici sono stati realizzati sul metallo, così da ottenere la possibilità di riconfigurare completamente il circuito ottico. Una caratterizzazione classica del dispositivo ha mostrato le buone proprietà del chip sia in termini di trasmissione che di accordabilità delle fasi. Anche la riproducibilità dei nuovi processi di fabbricazione, sviluppati per soddisfare le stringenti specifiche richieste dall’esperimento quantistico, è stata testata con successo sui molti prototipi realizzati prima del dispositivo finale.