Femtosecond laser micromachining of an integrated photonic circuit for the probabilistic generation of 4-qubit GHZ states

The generation of photonic qubits in multidimensional Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states is a crucial research topic in the field of quantum information technologies, since progress in this area would have important repercussions in a number of applications, including one way photonic quantum computing and multiparty quantum communications. Several methods have been proposed for the generation of such states and the integrated optics approach represents a promising strategy. This thesis deals with the design and the implementation with the femtosecond laser micromachining technique of a photonic chip that allows to generate upon postselection, 4 qubits GHZ states encoded in the dual rail qubit path encoding. The chip layout is composed by different elementary integrated optics devices, such as directional couplers, Mach-Zehnder interferometers and reconfigurable thermal phase shifters. The unique potentialities of the fabrication technique have been fully exploited in the realization of this circuit, in the realization of 3D waveguide crossings and in the laser-carving of deep isolation trenches for the enhancement of the thermal shifter performances. Within the same photonic chip, both the functionalities of state creation and tomography have been integrated. The overall experimental activity included an extensive characterization of the performances of each individual component, using classical laser light in the range 900 nm - 940 nm, i.e. the typical spectral range where quantum dot based single photon sources are available. From this activity, it is demonstrated that the fabrication process used is sufficiently reliable for the realization of high-quality components, with the waveguides showing propagation losses in the order of 0,1 dB/cm, high compatibility with standard optical fibers (coupling losses < 5 dB/facet) and with good reproducibility of the coupler splitting ratios. The optical properties of the final device have been characterized at both TE and TM polarization modes, demonstrating a good independence from this parameter.

La generazione di qubits fotonici in stati multidimensionali di Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) è un settore di ricerca cruciale nel campo delle tecnologie di quantum information, visto che progresso in quest'ambito avrebbe importanti ripercussioni in un ampio numero di applicazioni, incluse one way photonic quantum computing e multyparty quantum communications. Numerosi metodi sono stati proposti per la generazione di tali stati e l'approccio dell'ottica integrata rappresenta una strategia promettente. Questa tesi si occupa del design e dell'implementazione con la tecnica di femtosecond laser micromachining di un chip che permette di generare, sfruttando una procedura di postselection, stati GHZ a 4 qubits con una codifica per il singolo qubit del tipo path encoding a due percorsi. Il chip è composto da diversi componenti elementari di ottica integrata, come accoppiatori direzionali, interferometri Mach-Zehnder e thermal phase shifters riconfigurabili. Le potenzialità uniche della tecnica di fabbricazione sono state sfruttate a pieno nella realizzazione di questo circuito, nella realizzazione di incroci tra guide in 3D e nell'ablazione di profonde fossette isolanti sfruttate per migliorare le prestazioni dei thermal shifters. All'interno dello stesso chip abbiamo integrato sia le funzionalità di generazione che di tomografia. L'attività sperimentale comprende una profonda caratterizzazione delle prestazioni di ogni componente, utilizzando luce laser classica nell'intervallo tra i 900 nm e i 940 nm, ovvero l'intervallo spettrale di emissione tipico delle sorgenti a singolo fotone basate sui quantum dot. Attraverso questa attività è stato dimostrato che il processo di fabbricazione utilizzato è sufficientemente affidabile nella realizzazione di componenti di alta qualità, con guide d'onda che mostrano perdite di propagazione nell'ordine di 0,1 dB/cm, alta compatibilità con fibre ottiche standard (perdite di accoppiamento < 5 dB/faccetta) e con una buona riproducibilità degli splitting ratios degli accoppiatori. Le proprietà ottiche del dispositivo finale sono state caratterizzate sia per modi polarizzati TE che polarizzati TM, dimostrando una buona indipendenza da questo parametro.