An integrated optics Franson interferometer fabricated by femtosecond laser writing

Quantum information is a flourishing field of research promising to radically change information science by offering unrivaled levels of computational power and communication security. In this framework, Quantum Key Distribution (QKD) is probably the most mature application for off-the-shelf implementations. Since 1994, when Peter Shor demonstrated the potential capability of a quantum computer to factorize large integer numbers in polynomial time, cryptosystem specialists started to investigate different strategies to ensure safe and secure communications. Indeed, Shor’s algorithm represents a potential threat at the security principle of most adopted classical public-key cryptography schemes. Quantum Key Distribution, relying on the laws of quantum mechanics, promises to deliver inviolable cryptosystems. Despite the number of remarkable achievements in sharing private keys via QKD, the actual implementations of such schemes are mainly limited at the proof-of-principle demonstration level. Indeed, the inherent fragility of quantum states against their long-haul transmission through noisy channels, as optical fibers, establishes practical limitations in quantum communication networks. Up to date, the most robust strategy for fiber-based QKD implementation relies on time-bin encoding, where single photon qubit states are encoded in either two possible temporal “bins”, related to the early or late photon arrival times, or in a superposition of them. In addition, to span the whole qubit state space, a relative phase is added between the two temporal bins. Hence, to retrieve the phase information, ultra-stable interferometric measurements based on unbalanced Mach-Zehnder interferometer are generally adopted. To bring this technology toward real world practical applications, the long-term stability and robustness of quantum information processing devices is crucial. A promising solution is offered by integrated quantum photonics, where optical circuits are used to manipulate quantum states of light at unprecedented levels of compactness and interferometric stability. Unfortunately, the inherent birefringence of integrated optical platforms can jeopardize the transmitted quantum states. In this work, we propose the design and the development of an integrated quantum photonic circuit for the manipulation of time-bin qubits. We first theoretically analyse the effect of birefringence on the performance of an integrated unbalanced Mach-Zehnder interferometer (UMZI), identifying Femtosecond Laser Micromachining (FLM) as a promising technique for the realization of this component due to the low propagation losses and ultra-low birefringence optical waveguides provided by this technology. As the visibility of interferometric fringes is sensitive to the input states of polarization, which are typically randomized by the propagation in optical fibers, we devise a polarization insensitive device. At this purpose, we study and investigate a trimming technique for the manipulation and compensation of the birefringence mismatch between the short and long optical paths of the interferometer. In the realization of the UMZI, we achieve state-of-the-art propagation losses (∼0.15 dB/cm) and bending radii (∼15 mm) at 1550 nm wavelength for the employed technology.

L'informazione quantistica è un fiorente campo di ricerca che promette di cambiare radicalmente la scienza dell'informazione offrendo livelli ineguagliabili di potenza computazionale e sicurezza delle comunicazioni. In questo contesto, la distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) è probabilmente l'applicazione più matura per un'implementazione pratica. Sin dal 1994, quando Peter Shor ha dimostrato la potenziale capacità di un computer quantistico di fattorizzare grandi numeri interi in tempo polinomiale, diverse strategie crittografiche sono state studiate per garantire comunicazioni sicure e protette. Infatti, l'algoritmo di Shor rappresenta una potenziale minaccia per i principi di sicurezza caratterizzanti la maggior parte dei classici schemi di crittografia a chiave pubblica. La potenzialità della QKD risiede nella capacità di fornire criptosistemi inviolabili, la sicurezza dei quali è garantita dalle leggi della meccanica quantistica. Nonostante i molteplici risultati ottenuti nella condivisione di chiavi private tramite QKD, le effettive implementazioni di tali schemi sono principalmente limitate a livelli dimostrativi. Infatti, la fragilità intrinseca degli stati quantistici rispetto alla loro trasmissione a lungo raggio attraverso mezzi rumorosi, quali le fibre ottiche, stabilisce limitazioni pratiche nelle reti di comunicazione quantistiche. Ad oggi, la strategia più robusta per un'efficace implementazione di QKD in fibra si basa sulla codifica time-bin. I bit quantistici, codificati in singoli fotoni, sono così rappresentabili da due distinti intervalli (bin) temporali, determinati dal tempo di arrivo del fotone, oppure da una sovrapposizione di questi ultimi. Inoltre, per coprire interamente lo spazio degli stati, viene aggiunta una fase relativa tra i due bin temporali. Per recuperare queste informazioni di fase sono generalmente richieste misure interferometriche ultra stabili basate sull'utilizzo di un interferometro di Mach-Zehnder sbilanciato. Per garantire un utilizzo pratico di questa tecnologia anche al di fuori del laboratorio, i dispositivi di elaborazione delle informazioni quantistiche devono mostrare stabilità ed affidabilità anche se operati per lunghi periodi di tempo in condizioni non standard. Una soluzione promettente è offerta dalla fotonica quantistica integrata, in cui i circuiti ottici vengono utilizzati per manipolare gli stati quantistici della luce esibendo livelli di compattezza e stabilità interferometrica senza precedenti. Sfortunatamente, la birifrangenza intrinseca delle piattaforme ottiche integrate può mettere a repentaglio gli stati quantistici trasmessi. Nel presente elaborato, viene proposta la progettazione e lo sviluppo di un circuito fotonico quantistico integrato per la manipolazione di qubit codificati in time-bin. Per prima cosa viene analizzato teoricamente l'effetto della birifrangenza sulle prestazioni di un interferometro di Mach-Zehnder sbilanciato (UMZI), identificando la fabbricazione diretta con laser a femtosecondi (FLM) come una tecnica promettente per la realizzazione di questo componente, per merito delle basse perdite di propagazione e della bassa birifrangenza delle guide ottiche fornite da questa tecnologia. Poiché la visibilità delle frange di interferenza è sensibile agli stati di polarizzazione in ingresso, che sono casualmente alterati dalla propagazione nelle fibre ottiche, è stato progettato un dispositivo insensibile alla polarizzazione. A questo scopo, viene presentata una promettente tecnica di manipolazione e compensazione dello shift di birifrangenza tra i percorsi ottici brevi e lunghi dell'interferometro. Nella realizzazione dell'interferometro abbiamo ottenuto perdite di propagazione (∼0.15 dB/cm) e raggi di curvatura (∼15 mm) ad una lunghezza d'onda di 1550 nm paragonabili all'attuale stato dell'arte della tecnologia impiegata.