Path-to-polarization converter for quantum communications in hybrid bulk-integrated optics

One of the most prominent promises about Quantum Information Technologies is that of secure communication of information using protocols based on quantum algorithms, such as Quantum Key Distribution. However, this also encompass the communication between quantum devices, where the information encoded into the phase and probability amplitudes of a qubit must be preserved. Photonic technologies have shown an accelerated improvement throughout recent years, where the standard communication qubit is encoded in polarization of a photon and manipulation is done on the path degree of freedom. The need for a device that is capable of converting information from path to polarization arises as one of the critical challenges in the future development of these technologies. This thesis presents the design and experimental characterization of a hybrid bulk-integrated Path-to-Polarization converter compatible with an Spontaneous Parametric Down Conversion system operating at 810 nm. The device aims to convert qubits encoded in the path degree of freedom into polarization qubits, facilitating communication between quantum circuits through free-space-based communication systems. The device incorporates the manufacturability and flexibility given by Femtosecond Laser Micromachining with the modularity of miniaturized bulk components, permitting easy alignment and assembly of the device. The main results from this work include the fabrication of low-loss (0.8 dB) MZI for photon manipulation, with a footprint of 28.9 mm x 15 mm. Optimization of the guiding components resulted in propagation losses as low as 0.075 dB/cm. Assembly and characterization of the bulk components was performed, giving a measure of the ability of the device to convert information from path-to-polarization.

Una delle promesse più importanti delle tecnologie dell'informazione quantistica è la comunicazione sicura delle informazioni mediante protocolli basati su algoritmi quantistici, come la distribuzione di chiavi quantistiche. Tuttavia, ciò comprende anche la comunicazione tra dispositivi quantistici, dove le informazioni codificate nelle ampiezze di fase e di probabilità di un qubit devono essere preservate. Le tecnologie fotoniche hanno mostrato un miglioramento accelerato negli ultimi anni, dove il qubit di comunicazione standard è codificato nella polarizzazione di un fotone e la manipolazione viene effettuata sul grado di libertà del percorso. La necessità di un dispositivo in grado di convertire l'informazione dal percorso alla polarizzazione si pone come una delle sfide critiche nello sviluppo futuro di queste tecnologie. Questa tesi presenta il progetto e la caratterizzazione sperimentale di un convertitore Path-to-Polarization ibrido bulk-integrated, compatibile con un sistema di Spontaneous Parametric Down Conversion operante a 810 nm. Il dispositivo mira a convertire i qubit codificati nel grado di libertà del percorso in qubit di polarizzazione, facilitando la comunicazione tra circuiti quantistici attraverso sistemi di comunicazione basati sullo spazio libero. Il dispositivo incorpora la producibilità e la flessibilità della scrittura laser a femtosecondi con la modularità dei componenti miniaturizzati, consentendo un facile allineamento e assemblaggio del dispositivo. I principali risultati di questo lavoro includono la fabbricazione di un MZI a bassa perdita (0,8 dB) per la manipolazione dei fotoni, con un ingombro di 28,9 mm x 1 mm. L'ottimizzazione dei componenti di guida ha permesso di ottenere perdite di propagazione fino a 0,075 dB/cm. Sono stati eseguiti l'assemblaggio e la caratterizzazione dei componenti bulk, presentando una misura di capacità del sistema per convertire il percorso in polarizzazione.