A femtosecond laser written integrated photonic chip for the heralded generation of GHZ states

Measurement-based quantum computing (MQC) is a paradigm of quantum computation (QC), where all quantum information processing occurs via one qubit measurements on a very large initial entangled cluster state. It is considered the reference model of the quantum photonic (QP) pathway to QC. In recent years, theoretical designs of resource-efficient, noise-tolerant and scalable photonic platforms supporting MQC schemes have been proposed, while large scale experimental realizations still lag behind. Although major developments are being pursued in integrated quantum photonics, the bottleneck of experimental photonic quantum computing is the reliable generation of elementary Greenberger Horne Zeilinger (GHZ) states, which constitute the basic building bricks of the photonic cluster state. In the quest of bridging this gap, in this work we propose an on-chip solution for generating path-encoded photonic GHZ states. We cover two separate aspects related to their experimental implementation. On the one hand, we present the design, the fabrication and the optical characterization of a passive heralded 3-GHZ state generation scheme, consisting of a 12 x 12 modes optical network. On the other hand, we report the techniques and the measurements aimed at assessing the reconfigurability of two active integrated photonic chips, for generating non-heralded Bell states and non-heralded 4-GHZ states, respectively. All the devices are robust, portable and monolithically integrated solutions, capable of both generating and characterizing GHZ states (via quantum state tomography), and designed to be interfaced with state-of-art QD single photon quantum sources operating at 925 nm. Fabrication wise, passive interferometers are imprinted on borosilicate glasses by fs laser writing (FLW); the complete devices feature tunable low-power thermo-optic phase shifters, patterned on the sample surface by standard lithographic techniques. This research work, conducted in the Femtosecond Laser Micromachining group of the Institute for Photonics and Nanotechnologies of the National Research Council (IFN-CNR), will culminate in the fabrication of a 12x12 reconfigurable heralded GHZ factory, which will be ready for further experiments at Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), at University of Paris-Saclay.

Nel contesto della computazione quantistica, il Measurement-based Quantum Computing (MQC) è un paradigma computazionale dove l’informazione quantistica viene elaborata mediante misure su singoli qubit, disposti inizialmente su uno stato cluster. Il MQC è considerato il modello standard per computazione quantistica su piattaforme fotoniche. Recentemente, sono stati avanzati molti modelli teorici per realizzare efficientemente il MQC; tuttavia, la loro implementazione sperimentale su larga scala è lungi dall’essere realtà. Nonostante i recenti successi della fotonica integrata, l’ostacolo maggiore all’implementazione fisica del MQC è la generazione di stati Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), essenziali per creare lo stato cluster di partenza. Nel tentativo di rispondere a questo problema, in questa tesi proponiamo un generatore on-chip di stati GHZ fotonici, codificati su cammini non intersecanti. A questo proposito, trattiamo due aspetti complementari del problema. Da un lato, presentiamo lo schema, il processo di fabbricazione e le misure di caratterizzazione relative a un generatore passivo ed heralded di stati 3-GHZ, basato su un interferometro a 12 modi. Dall’altro, riportiamo i risultati relativi alla riconfigurabilità ottica di di due chip fotonici, che producono rispettivamente stati Bell e stati 4-GHZ, in modo non heralded. Tutti i dispositivi sono robusti, facilmente interfacciabili e compatti. I chip sono progettati per essere compatibili con sorgenti a singolo fotone basate su QD di ultima generazione, con spettro di emissione centrato a 925 nm, e sono in grado sia di generare che di caratterizzare stati GHZ via tomografia quantistica. Tutti i dispositivi sono realizzati mediante la tecnica di microfabbricazione con laser a femtosecondi su vetri in borosilicato. I dispositivi attivamente riconfigurabili posseggono anche degli sfasatori termo-ottici realizzati con tecniche litografiche standard sulla superficie del campione. I risultati di questa tesi, condotta nel gruppo di Femtosecod Laser Microma chining dell’Istituto di Fotonica e Nanotechnologie (IFN-CNR), culmineranno nella realizzazione di un chip completo e riconfigurabile per la generazione di stati 3-GHZ heralded, che verranno ulteriormente studiati al C2N, all’Università di Parigi-Saclay.