Towards a scalable quantum photonic platform based on a quantum dot single-photon source

The unique properties of quantum states of light make photonics an excellent choice for the implementation of quantum technologies. However, scalability represents one of the main challenges in achieving an operating quantum photonic platform able to perform universal quantum computation. Currently, the main limitations in this respect are the brightness of single photon sources, the transmission of linear optical networks and the efficiency of single photon detectors. In this thesis work, we analyze two promising approaches towards a scalable optical setup. In particular, the first part is focused on the characterization of a semiconductor quantum dot single photon source, provided by Quandela, which is embedded in a micropillar resonant cavity for enhancing the emission efficiency. Under resonant excitation in a cross-polarization scheme, our measurements showed a brightness of 15%, with a purity of the emitted photons equal to al 0.941 ±0.005 and an indistinguishability of 0.877 ±0.005. Moreover, a further study was performed on the capability of the source of emitting a superposition of Fock states when increasing the area of the pump pulses. In detail, we showed that the source can emit up to 4 photons in the same excitation pulse, with a maximum probability of 3% occurring at 6π. Finally, we performed a quasi-resonant excitation assisted by longitudinal-acoustic phonons, which provided an improved purity of 0.969 ± 0.005, and which would allow to use bandpass filters instead of cross-polarization for the suppression of the residual pump light, thus increasing the extraction efficiency. In the second part of the work, we show that the source can be used for a boson sampling experiment in time-bin encoding, through interference of photons emitted in different time bins. Though the presented measurements were performed on a preliminary setup, we believe that this approach is scalable to a high number of photons if a particular care is taken for reducing optical losses.

Le peculiari proprietà degli stati quantici della luce rendono la fotonica una scelta ottimale per lo sviluppo di tecnologie quantistiche. Tuttavia, la scalabilità rappresenta una dei principali ostacoli all'implementazione di una piattaforma quantistica fotonica funzionante. Attualmente, le principali limitazioni a questo riguardo sono l'efficienza delle sorgenti e dei detector a singolo fotone e la trasmissione delle reti ottiche lineari. In questo lavoro di tesi, vengono analizzati due approcci particolarmente promettenti per la realizzazione di un setup ottico altamente scalabile. In particolare, la prima parte si focalizza sulla caratterizzazione di una sorgente a singolo fotone fornitaci da Quandela. La sorgente è costituita da punti quantici, formatisi in materiale semiconduttore e collocati all'interno di pilastri di dimensioni micrometriche al fine di ottenere cavità risonanti, aumentando cosi l'efficienza di emissione. Usando un'eccitazione risonante, in una configurazione a polarizzazione incrociata, è stato possibile generare fotoni puri al 0.941 ±0.005 e indistinguibili al 0.877 ±0.005, con un'efficienza di emissione del 15%. Inoltre, un ulteriore studio è stato rivolto all'analisi della capacità della sorgente di emettere una sovrapposizione di stati di Fock a seconda dell'area dell'impulso di eccitazione. In dettaglio, abbiamo mostrato che la sorgente può emettere fino a 4 fotoni per uno stesso impulso di eccitazione con una probabilità massima del 3% a 6π. Infine, abbiamo eseguito un'eccitazione quasi risonante assistita da fononi longitudinali-acustici, ottenendo una maggiore purezza del 0.969 ± 0.005. Inoltre, tale tecnica permetterebbe di sopprimere il laser riflesso dalla cavità attraverso l'utilizzo di filtri passa banda al posto della configurazione a polarizzazione incrociata, aumentando quindi l'efficienza di estrazione. Nella seconda parte di questo lavoro, viene mostrato che la sorgente può essere usata per esperimenti di Boson Sampling in codifica temporale, attraverso l'interferenza di fotoni emessi in differenti momenti temporali. Nonostante tali misure siano state eseguite su un setup preliminare, crediamo che questo approccio sia scalabile fino ad un alto numero di fotoni nel caso in cui le perdite ottiche vengano ridotte.