Integrated Photonics for Trapped Ion Quantum Processors

The prospect for ion trap quantum computing depends largely on the ability to produce reliable and scalable hardware. It remains a challenge to extend the technology to over thousands of interacting ions so that applications of practical interest can be achieved. The microfabrication of ion trap chips at industrial level is a step towards this direction. On-chip light delivery for manipulation of the ions' state is among the key elements necessary to enable bigger traps with more complex architectures, while contributing to robustness and performance of the operations. This work addresses the development of integrated optics to fulfill this need. The first photonic guiding structures for ion traps fabricated with existing processes at Infineon Technologies are demonstrated and characterized. We present the study of silicon nitride passive devices suitable for the visible spectrum, their fabrication processes and material properties while assessing their compatibility with ion trap fabrication requirements. In order to quantify the quality of our photonic layers, propagation losses are measured, together with their dependence on mode confinement and incoming polarization. Results as low as 0.22 dB/cm at $\lambda = 729~nm$ for high aspect ratio waveguides are evaluated. Additional characteristics related to the device quality, comprising their surface and sidewall roughness are investigated and optimized. These results pave the way for a broadband, low loss photonic platform, that together with more complex elements is capable of delivering hundreds of laser beams for the qubit control of quantum processing units.

Le prospettive della computazione quantistica con trappole ioniche dipendono in gran parte dalla capacità di produrre hardware affidabile e scalabile. Resta una sfida estendere la tecnologia a più di migliaia di ioni interagenti, in modo da poter realizzare applicazioni di interesse pratico. La microfabbricazione di chip di trappole ioniche a livello industriale è un passo avanti in questa direzione. L'erogazione di luce sul chip per la manipolazione dello stato degli ioni è uno degli elementi chiave necessari per consentire trappole più grandi con architetture più complesse, contribuendo al contempo alla robustezza e alle prestazioni delle operazioni. Questo lavoro affronta lo sviluppo di ottica integrata per soddisfare questa esigenza. Vengono dimostrate e caratterizzate le prime strutture di guida fotonica per trappole ioniche fabbricate con i processi esistenti presso Infineon Technologies AG. Presentiamo lo studio di dispositivi passivi in nitruro di silicio adatti allo spettro visibile, i loro processi di fabbricazione e le proprietà dei materiali, valutando la loro compatibilità con i requisiti di fabbricazione delle trappole ioniche. Per quantificare la qualità dei nostri strati fotonici, sono misurate le perdite di propagazione e la loro dipendenza dal confinamento di modo e dalla polarizzazione in ingresso. Sono stati valutati risultati fino a 0,22 dB/cm a $lambda = 729~nm$ per guide d'onda ad alto fattore di forma. Sono studiate e ottimizzate ulteriori caratteristiche relative alla qualità del dispositivo, tra cui la rugosità della superficie e della parete laterale. Questi risultati aprono la strada a una piattaforma fotonica a banda larga e bassa perdita, che insieme a elementi più complessi è in grado di fornire centinaia di fasci laser per il controllo dei qubit dei processori quantistici.