Femtosecond laser processing of Y2SiO5 crystals for the development of an integrated gradient echo quantum memory

Quantum memories are fundamental for quantum information processing applications, thanks to their ability to store and retrieve quantum information coherently and on demand. Quantum memories find several important applications in many fields like quantum communication, quantum computing, quantum cryptography, and many others. Several types of quantum memories have already been developed in the scientific literature, but to find practical use in fields such as quantum computing it is necessary to develop an integrated version, to exploit parallel processing. Among the various possibilities to reach this goal, in recent years there has been a strong interest in fabricating integrated quantum memories via femtosecond laser micromachining (FLM) of rare-earth doped crystals. Among major advantages of this fabrication tehcnique, FLM is a mask-less procedure, not requiring the use of any lithographic step nor clean-room facilities. It allows fast prototyping of photonic circuits and it allows the exploration of three-dimensional designs which would be otherwise impossible to realize with standard planar lithographic methods. The aim of this thesis work is to develop by FLM the necessary integrated components that are needed for implementing a specific quantum memory protocol, i.e. the Gradient Echo Memory protocol, in integrated fashion. These include integrated optical waveguides in the material of interest (which, for this thesis is Pr:Y2SiO5) and the integration of three-dimensional capacitors around them for the controlled application of static electric fields. In particular, the integration of these components requires the optimization of a suitable ablation process of Y2SiO5 for carving 3D shapes around the waveduide volume. Optical waveguides have been optimized for the spectral range of absorption of Praseodymium ions (about 606 nm), reaching a minimum of the insertion losses of 1.14 dB in a crystal 4 mm long.

Le memorie quantistiche sono fondamentali per varie applicazioni nel campo del quantum processing, grazie alla loro capacità di memorizzare e recuperare informazioni quantistiche in modo coerente e su richiesta. Questi dispositivi hanno diverse importanti applicazioni in settori come la comunicazione, l’informatica quantistica, la crittografia e molti altri ancora. Diversi tipi di memorie quantistiche sono già stati sviluppati nella letteratura scientifica, ma per trovare un utilizzo pratico, in campi come il quantum computing, è necessario sviluppare una versione integrata, affinchè possano essere adoperate in parallelo. Tra le varie possibilità per raggiungere questo obiettivo, negli ultimi anni c’è stato un forte interesse nella fabbricazione di memorie quantistiche integrate, basate su dei cristalli drogati con terre rare e sviluppate tramite Femtosecond Laser Micromachining (FLM). Tra i principali vantaggi di questa tecnica di fabbricazione, FLM è un procedimento senza maschera, che permette di evitare passaggi di tipo litografico e l’utilizzo di clean-room. Consente una rapida prototipazione di circuiti fotonici e consente l’esplorazione di design tridimensionali che sarebbero altrimenti impossibili da realizzare con metodi litografici standard, che lavorano principalmente su due dimensioni. L’obiettivo di questa tesi è sviluppare tramite FLM i componenti necessari per implementare uno dei possibili protocolli di memoria quantistica, noto come GEM (Gradient Echo Memory), in forma integrata. Questi includono guide d’onda ottiche integrate nel materiale di interesse (che per questa tesi è il Pr:Y2SiO5) e condensatori tridimensionali attorno ad esse per l’applicazione controllata di campi elettrici statici. In particolare, l’integrazione di questi componenti richiede l’ottimizzazione di un processo di ablazione di Y2SiO5 per intagliare forme tridimensionali attorno al volume delle guide. Le guide d’onda ottiche sono state ottimizzate per la gamma spettrale di assorbimento degli ioni di Praseodimio (circa 606 nm), raggiungendo un minimo delle perdite di inserzione di 1.14 dB in un cristallo lungo 4 mm.