Design and fabrication of an integrated photonic circuit for the generation of heralded three-photon entangled states

The research to develop a quantum computer is going on from many years now. Different solutions have been proposed, each with its pros and cons. One of these employs photons as qubits and is called One-way quantum computing. Only linear optical components, already existing, acting on only one photon at a time, are necessary to implement this solution. The difficulty lies in generating the so called cluster state, an entangled state of many photons, which is needed, before everything else, to implement this particular protocol. For the generation of such state, the basic building block is a three-photon entangled state, called GHZ state. During this work, an integrated optical circuit for the generation of GHZ states has been designed and fabricated. The circuit works with six photonos, three will generate the GHZ state and the other three will act as heralders: when a precise outcome is obtained from their measurement, it ensures that the other three photons are in the correct state. The technique used to fabricate this photonic circuit was Femtosecond laser micromachining, through which ultrashort laser pulses are tightly focused in a glass substrate, inducing permanent modifications. These modifications allow us to fabricate all the optical components needed to build our device. Two different borosilicate glass substrates were used to achieve this goal. We could not achieve a consistent performance with Borofloat, but the data gathered highlighted the fact that it is possible to fabricate integrated optical devices with very low losses in this glass; to do this further investigation is certainly required. On the other hand in EagleXG glass a complete device for the generation of heralded GHZ states has been fabricated successfully and validated by different characterizations. Further testing will be performed with single photon sources, required by the device to produce the desired state.

La ricerca per lo sviluppo di un computer quantistico sta continuando da ormai molti anni. Diverse soluzioni sono state proposte, ognuna con i propri pro e contro. Una di queste utilizza i fotoni come qubit ed è denominata one-way quantum computing. Solo elementi ottici lineari, già esistenti, che svolgono operazioni su un singolo fotone alla volta, sono necessari per implementare questa soluzione. La difficoltà risiede nella generazione del così chiamato stato cluster, uno stato entangled composto da molti fotoni, il quale è necessario, a valle di tutti gli altri elementi, per implementare questo particolare protocollo. Per generare questo stato l’elemento base è uno stato entangled a tre fotoni, chiamato stato GHZ. Durante questo lavoro di tesi, un circuito ottico integrato per la generazione di stati GHZ è stato progettato e fabbricato. Il circuito agisce su sei fotoni, tre genereranno lo stato GHZ e gli altri tre fungeranno da araldi: quando questi ultimi vengono misurati in una precisa distribuzione, garantiscono che gli altri tre siano nello stato corretto. La tecnica usata per fabbricare questo circuito fotonico è stata la microfabbricazione con laser a femtosecondi, attraverso la quale impulsi laser ultrabrevi vengono focalizzati in un substrato vetroso, inducendo una modifica permanente nel vetro. Queste modifiche ci permettono di fabbricare tutti i componenti ottici necessari per implementare il nostro dispositivo. Due differenti vetri in borosilicato sono stati usati per raggiungere questo obiettivo. Non siamo riusciti ad ottenere dei risultati consistenti con Borofloat, ma i dati raccolti hanno evidenziato il fatto che è possibile fabbricare dispositivi ottici con perdite molto basse in questo vetro; per farlo sono sicuramente necessarie ulteriori ricerche. D’altra parte nel vetro EagleXG è stato fabbricato con successo, e validato da successive caratterizzazioni, un dispositivo completo per la generazione di stati GHZ con araldi. Ulteriori test verranno svolti con sorgenti di singolo fotone, necessari al dispositivo per generare lo stato desiderato.