Design and fabrication of an integrated photonic circuit for producing a maximally-entangled three-photon state

In this thesis we will present the work that has been done toward the implementation of an integrated photonic de- vice, capable of generating maximally entangled three pho- ton states. To achieve this goal, we make use of the fem- tosecond laser micromachining technology, widely used in the group of Roberto Osellame at the Physics Department in Politecnico di Milano, where this work was carried out. Firstly, we will present an overview of the field of quan- tum computing in the restricted domain of the optical im- plementation, that will provide a useful background as well as the motivation behind this activity. We will then present the femtosecond laser micromachining process and its mul- tiple application. After which we will describe the several setups used for fabricating and characterising the several prototype made during the thesis. The last three chapters develop in detail the work per- formed for the development of the project. We will start by a theoretical description of the quantum operation we aim to implement. For the circuit design, we take inspira- tion from an other work of very recent publication (Varnava et al., 2008), which propose a scheme for the generation of 3-photons maximally entangled state in the polarisation basis. We further elaborate on this scheme by first intro- ducing simplification in the circuit topology using photon path-encoding, and by extending the initial 3-photons max- imally entangle state generation to an arbitrary number of photons. Then, we present the different steps followed to optimize and fabricate the optical circuit, and we detail our optimisation protocol. The final chapter will be devoted to the characterisation of the fabricated prototype, as well as the discussion around the issues encountered.

In questo lavoro di tesi si presenta l’attività di realizzazione di un dispositivo fotonico integrato per la generazione di stati quantistici a tre fotoni massimamente entangled. La tecnica sperimentale impiegata per il raggiungimento di tale obbiettivo consiste nella microlavorazione di substrati vetrosi tramite laser a femtosecondi. Tale tecnica è ampia- mente utilizzata nel gruppo guidato dal Dr. Roberto Osel- lame presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Mi- lano, dove questa attività di tesi è stata svolta. Innanzitutto verrà presentata una panoramica generale sulla computazione quantistica, con particolare accento alle implementazioni ottiche, con lo scopo di spiegare le moti- vazioni di questa attività. Successivamente verrà presentata la tecnica di fabbricazione e le sue applicazioni, assieme ad una descrizione dei setup sperimentali utilizzati sia per la realizzazione dei dispositivi, che per la loro caratteriz- zazione. I capitoli successivi sono dedicati alla discussione dell’attività sperimentale condotta durante lo sviluppo del progetto. Si parte dalla descrizione del dispositivo foton- ico in oggetto e della sua funzionalità quantistica da un punto di vista teorico. Il punto di partenza è uno schema proposto in un articolo di recente pubblicazione (Varnava et al., 2008) per la generazione di entanglement a tre fo- toni basato sui modi di polarizzazione. Verrà mostrato come questo schema possa essere ulteriormente semplifi- cato, generalizzato ad un numero arbitrario di fotoni, e tradotto nella codifica di modi spaziali. Verrà poi discussa l’implementazione sperimentale del dispositivo proposto e la sua ottimizzazione. Infine, verranno mostrate tutte le caratterizzazioni eseguite sui prototipi realizzati, assieme ad una descrizione delle problematiche incontrate.