Hybrid linear nonlinear integrated quantum photonic devices

Applications of quantum mechanics are slowly but steadily making their way onto our everyday lives. Concepts such as entanglement and superposition are already being exploited to make communications safer, treat otherwise intractable mathematical problems, implement computational algorithms with an incredible increase in efficiency. One of the protagonists in this quantum revolution is the smallest particle of light, the single photon, whose properties make it an ideal candidate for long-distance travelling without losing the quantum information that is encoded in it. However, these very same properties make single photons very hard to interact with one another, and the overwhelming probability of failed interactions and aborted computations was for many decades an unsurmountable obstacle. Luckily, ingenious ways have been devised to imprint this interaction, rather than during processing, into the quantum resources themselves. Those resources are no longer single, but hyper-entangled photon states, created from simpler entangled states, of which the most basic unit is the Greenberger Horne Zeilinger state. In any case, to demonstrate the required quantum effects, it is necessary to have single photons, a computing photon processor, and a mechanism of detecting them to have the computation result. In this context, the natural step forward is to exploit integrated optics, aiming for a platform that contains these three steps in a chip instead of bulky and hardly reconfigurable tabletop setups. The work presented in this thesis queues in at this point, particularly in the integrated generation of computational resources. Single photon sources are as necessary as they are challenging. Amongst all requirements it should satisfy, this work focuses on a stepping stone towards realizing more and more complex quantum calculation: scalability. By aiming for an integrated source of indistinguishable photons, the objectives are clear: to enable multiple sources feeding the quantum computing circuits, thereby bringing to reach harder computational problems, and to have these sources emitting spectrally pure and identical photons, two requirements which, when missing, rapidly degrades the quantum computation. The approach followed, using spontaneous parametric down conversion, is a room-temperature alternative mostly suitable for the targetted objectives. A thorough simulation step will be shown as a motivation of this affirmation, and the experimental implementation will pave the way to the demonstration of an unprecedented parallel integrated source of multiple almost identical single photons. The other part of this thesis is dedicated to a demonstrator of an on-chip Greenberger Horne Zeilinger three qubit state generator. This photonic device is realized by femtosecond laser micro-machining, leveraging advantages unique to this fabrication technique, such as three-dimensionality and very low propagation loss and coupling loss to standard optical fibres. The resulting device is expected to be unprecedentedly efficient in generating those computational states, which is a stringent requirement to overcome the fact that they are generated in a probabilistic and not deterministic fashion. This nature is also addressed by implementing an heralded scheme, in which ancillary photons can be detected to assess the generated three qubit state without destroying its fragile entanglement.

Le applicazioni della meccanica quantistica si stanno lentamente ma costantemente facendo strada nella nostra vita quotidiana. Concetti come l'entanglement e la sovrapposizione vengono già sfruttati per rendere più sicure le comunicazioni, trattare problemi matematici altrimenti intrattabili, implementare algoritmi di calcolo con un incredibile aumento di efficienza. Uno dei protagonisti di questa rivoluzione quantistica è la più piccola particella di luce, il singolo fotone, le cui proprietà lo rendono un candidato ideale per viaggiare a lunga distanza senza perdere le informazioni quantistiche in esso codificate. Tuttavia, queste stesse proprietà rendono le interazioni fra singoli fotoni molto difficili, e la grande probabilità di interazioni fallite e di calcoli interrotti ha rappresentato per molti decenni un ostacolo insormontabile. Fortunatamente, sono stati escogitati modi ingegnosi per integrare questa interazione, anziché durante l'elaborazione, nelle risorse quantistiche stesse. Tali risorse non sono più singoli fotoni, ma stati iper-entangled, creati a partire da stati entangled più semplici, di cui l'unità più elementare è lo stato di Greenberger Horne Zeilinger. In ogni caso, per dimostrare gli effetti quantistici richiesti, è necessario disporre di singoli fotoni, di un processore a singoli fotoni e di un meccanismo di rilevamento per ottenere il risultato del calcolo. In questo contesto, il passo avanti naturale è quello di sfruttare l'ottica integrata, puntando a una piattaforma che contenga queste tre fasi in un chip, invece di configurazioni da tavolo ingombranti e difficilmente riconfigurabili. Il lavoro presentato in questa tesi si colloca in questo punto, in particolare nella generazione integrata di risorse computazionali. Le sorgenti di fotoni singoli sono tanto necessarie quanto impegnative. Tra tutti i requisiti che dovrebbe soddisfare, questo lavoro si concentra sulla scalabilità. Puntando a una sorgente integrata di fotoni indistinguibili, gli obiettivi sono chiari: consentire l'utilizzo di più sorgenti che alimentino i circuiti di calcolo quantistico, permettendo così di affrontare problemi di calcolo più difficili, e fare in modo che queste sorgenti emettano fotoni spettralmente puri e identici, due requisiti che, quando mancano, degradano rapidamente la computazione quantistica. L'approccio seguito, che utilizza la spontaneous parametric down conversion, è stato dimostrato attraverso simulazioni e l'implementazione sperimentale aprirà la strada alla dimostrazione di una sorgente parallela integrata senza precedenti di singoli fotoni multipli quasi identici. L'altra parte di questa tesi è dedicata a un dimostratore di un generatore di stato a tre qubit Greenberger Horne Zeilinger su chip. Questo dispositivo fotonico è stato realizzato mediante microlavorazione laser a femtosecondi, sfruttando i vantaggi unici di questa tecnica di fabbricazione, come la tridimensionalità e le bassissime perdite di propagazione e di accoppiamento con le fibre ottiche standard. Il dispositivo risultante dovrebbe avere un'efficienza senza precedenti nella generazione di questi stati computazionali, requisito fondamentale per superare il fatto che sono generati in modo probabilistico e non deterministico. Questa natura viene affrontata anche attraverso l'implementazione di uno schema di heralding, in cui i fotoni ausiliari possono essere rilevati per valutare lo stato a tre qubit generato senza distruggere il suo fragile entanglement.