Photonic integrated devices via femtosecond laser micromachining for quantum applications

The advent of quantum technologies is expected to revolutionize the way information is processed and transmitted. Unlike classical approaches, they exploit the ability to prepare and manipulate genuine quantum states, where phenomena such as entanglement and superposition provide powerful resources for solving problems beyond the reach of classical algorithms. Furthermore, the use of quantum carriers enables intrinsically secure communication and unprecedented sensitivity in probing the physical world. Photons are particularly well suited for this purpose: they are robust carriers of quantum information and, combined with recent progress in integrated optics, support the development of compact and stable platforms for quantum experiments. A major challenge, however, remains the scalability of quantum technologies, which is essential for moving beyond laboratory demonstrations toward widespread deployment. While some applications, such as quantum communication, have already reached the stage of real-world implementation, others are still progressing through intermediate steps that serve as milestones toward large-scale, fault-tolerant systems. Addressing these challenges, research in quantum photonics aims both to enable practical applications and to provide the building blocks for future quantum technologies. In this thesis, we investigate femtosecond laser micromachining as a versatile technique for fabricating integrated photonic devices in glass. This method allows the rapid prototyping of three-dimensional circuits, allowing the fabrication of photonic components such as waveguides, tunable interferometers, and resonators, without the need for clean-room facilities. The fabricated structures exhibit low propagation losses and can be efficiently interfaced with other optical components. The devices developed in this work cover a broad spectrum of applications in quantum photonics. They include circuits for quantum communication, compact systems for quantum information processing, a source for heralded Bell states, and the implementation of a tunable ring resonator. Together, these results represent concrete steps toward the advancement of photonic quantum technologies.

L’avvento delle tecnologie quantistiche è destinato a rivoluzionare il modo in cui l’informazione viene elaborata e trasmessa. A differenza degli approcci classici, esse sfruttano la capacità di preparare e manipolare stati quantistici, nei quali fenomeni come l’entanglement e la sovrapposizione forniscono risorse potenti per risolvere problemi che vanno oltre la portata degli algoritmi classici. Inoltre, l’uso di portatori quantistici consente comunicazioni intrinsecamente sicure e una precisione di misura senza precedenti nell’esplorazione del mondo fisico. I fotoni sono particolarmente adatti a questo scopo: sono portatori robusti di informazione quantistica e, grazie ai recenti progressi nell’ottica integrata, supportano lo sviluppo di piattaforme compatte e stabili per esperimenti quantistici. Una delle principali sfide rimane tuttavia la scalabilità delle tecnologie quantistiche, un requisito essenziale per passare dalle dimostrazioni di laboratorio a una diffusione su larga scala. Mentre alcune applicazioni, come la comunicazione quantistica, hanno già raggiunto la fase di implementazione nel mondo reale, altre stanno ancora attraversando fasi intermedie che rappresentano tappe fondamentali verso sistemi su larga scala e tolleranti agli errori. Per affrontare queste sfide, la ricerca nella fotonica quantistica mira sia a rendere possibili applicazioni pratiche sia a fornire i mattoni fondamentali per le future tecnologie quantistiche. In questa tesi investigo la microlavorazione laser a femtosecondi come tecnica versatile per la fabbricazione di dispositivi fotonici integrati nel vetro. Questo metodo consente la prototipazione rapida di circuiti tridimensionali, permettendo la realizzazione di componenti fotonici come guide d’onda, interferometri sintonizzabili e risonatori, senza la necessità di strutture di clean-room. Le strutture fabbricate presentano basse perdite di propagazione e possono essere interfacciate in modo efficiente con altri componenti ottici. I dispositivi sviluppati in questo lavoro coprono un ampio spettro di applicazioni nella fotonica quantistica. Essi includono circuiti per la comunicazione quantistica, sistemi compatti per l’elaborazione dell’informazione quantistica, una sorgente di stati di Bell “heralded” e l’implementazione di un risonatore ad anello riconfigurabile. Nel loro insieme, questi risultati rappresentano passi concreti verso l’avanzamento delle tecnologie quantistiche fotoniche.