Strain-tunable single photon source for quantum communications

The MEMS industry, especially in the realm of piezoelectric MEMS resonators, has experienced significant advancements, allowing for enhanced precision control and intricate design of acoustic modes within substrates. Similarly, quantum technologies have witnessed remarkable progress, with recent efforts focusing on establishing coherent connections emerging as a central aspect for advancing the scalability of the field. The present master’s thesis aims to address a significant gap in current quantum communication systems: the need for a single photon source. Such source is essential for both quantum communication systems and emerging quantum computing technologies. However, current technology for generating single photons requires extremely precise control, posing a significant limitation to the development of such sources. The fundamental idea of this project is to leverage this precise control of acoustic waves in a high-quality magnesium oxide substrate to induce modulation in the two-level intrinsic defects present in the crystal, which will act as emission centers. In this way, by controlling the electronic drive, it will be possible to manipulate the propagating acoustic field and, consequently, the emitter’s spectrum. However, despite the great potential, implementing this technology is accompanied by several complications. Early fabricated devices have not yielded satisfactory experimental results, suggesting the need to delve into more complex aspects in terms of materials and design. These challenges will remain at the forefront of future research in this field, as progress is closely tied to the ability to overcome these limitations and develop innovative solutions.

L’industria dei MEMS, specialmente nel campo dei risonatori MEMS piezoelettrici, ha vissuto significativi progressi, consentendo un controllo di precisione migliorato e un design intricato delle modalità acustiche all’interno dei substrati. Allo stesso modo, le tecnologie quantistiche hanno registrato progressi notevoli, con recenti sforzi sull’instaurare connessioni coerenti come modalità per facilitare la scalabilità del settore. La presente tesi di laurea mira a colmare una significativa lacuna nei sistemi attuali di comunicazione quantistica: la necessità di una sorgente di singoli fotoni. Tale sorgente è essenziale sia per i sistemi di comunicazione quantistica che per le emergenti tecnologie di calcolo quantistico. Tuttavia, la tecnologia attuale per generare singoli fotoni richiede un controllo estremamente preciso, rappresentando un notevole limite allo sviluppo di tali fonti. L’idea fondamentale di questo progetto è sfruttare un preciso controllo delle onde acustiche in un substrato di ossido di magnesio di alta qualità per indurre una modulazione nei difetti intrinseci presenti nel cristallo, che funzionano come centri di emissione. In questo modo, controllando la sorgente elettrica, sarà possibile manipolare il campo acustico propagante e, di conseguenza, lo spettro dell’emettitore. Tuttavia, nonostante il grande potenziale, l’implementazione di questa tecnologia è accompagnata da diverse complicazioni. I dispositivi fabbricati non hanno prodotto risultati sperimentali soddisfacenti, suggerendo la necessità di approfondire gli aspetti più complessi in termini di materiali e design. Queste sfide rimarranno al centro della ricerca futura in questo campo, poiché il progresso è strettamente legato alla capacità di superare tali limitazioni e sviluppare soluzioni innovative.