I quantum dot stanno assumendo sempre una maggiore importanza negli ultimi anni in vari ambiti, dalla ricerca all'industria, per via delle loro proprieta caratteristiche. Grazie al forte confinamento spaziale che ne caratterizza la fabbricazione, questi dispositivi infatti assumono livelli energetici discreti. La loro struttura energetica permette quindi l'emissione di fotoni singoli, oppure coppie di fotoni entangled, dopo un'adeguata eccitazione ottica. Questa proprieta risulta molto utile in fotonica quantisitca, perche li rende adatti per varie applicazioni nella crittografia quantistica e dell'informazione quantistica.
Nel corso di questa tesi si e proceduto alla costruzione e all'ottimizzazione di dispositivi per l'eccitazione risonante del quantum dot e per la caratterizzazione dei fotoni da loro emessi. Si e proceduto quindi alla misura di grandezze essenziali per lo studio delle proprieta di emissione dei quantum dot, come i loro spettri di emissione, l'autocorrelazione tra i fotoni emessi dalla diseccitazione dell'eccitone e del bieccitone, la lunghezza di coerenza di questi fotoni, e il tempo di vita degli stati eccitati.
I quantum dot stanno assumendo sempre una maggiore importanza negli ultimi anni in vari ambiti, dalla ricerca all'industria, per via delle loro proprieta caratteristiche. Grazie al forte confinamento spaziale che ne caratterizza la fabbricazione, questi dispositivi infatti assumono livelli energetici discreti. La loro struttura energetica permette quindi l'emissione di fotoni singoli, oppure coppie di fotoni entangled, dopo un'adeguata eccitazione ottica. Questa proprieta risulta molto utile in fotonica quantisitca, perche li rende adatti per varie applicazioni nella crittografia quantistica e dell'informazione quantistica.
Nel corso di questa tesi si e proceduto alla costruzione e all'ottimizzazione di dispositivi per l'eccitazione risonante del quantum dot e per la caratterizzazione dei fotoni da loro emessi. Si e proceduto quindi alla misura di grandezze essenziali per lo studio delle proprieta di emissione dei quantum dot, come i loro spettri di emissione, l'autocorrelazione tra i fotoni emessi dalla diseccitazione dell'eccitone e del bieccitone, la lunghezza di coerenza di questi fotoni, e il tempo di vita degli stati eccitati.
In summary, these three projects addressed long-standing problems, opened up novel research perspectives and proposed/discussed state-of-the-art experiments in the exciting field of photonic lattices.They thus represent a valuable contribution to condensed matter physics as well as quantum optics and will foster further research in these areas.v Riassunto Generalmente i fotoni interagiscono solo debolmente con la materia alla maggior parte delle frequenze.Tuttavia, in sistemi quantistici ingegnerizzati, interazioni fotone-fotone di livello elevato possono essere ottenute accoppiando luce e materia in varie architetture di elettrodinamica quantistica (QED) delle cavità, dove i fotoni confinati in cavità miniaturizzate interagiscono con pochi atomi (reali o artificiali) esibenti grandi momenti di dipolo.L'utilizzo dei sistemi di cavità QED come elementi costitutivi di simulatori e computer quantistici ne ha contribuito in modo estremamente significativo allo sviluppo e al progresso.Allo stesso tempo, la possibilità di ingegnerizzare fotoni fortemente correlati, combinata con la natura intrinsecamente fuori dall'equilibrio dei sistemi di cavità, ha aperto diverse prospettive di ricerca nello studio della fisica non-equilibrio a molti corpi con la luce.I recenti sforzi sperimentali sono stati dedicati all'aumento progressivo della dimensione nei sistemi di cavità, al fine di implementare algoritmi quantistici, nonché per la ricerca di fasi di fotoni fortemente correlati in sistemi estesi.Disporre le cavità e gli atomi in un reticolo offre la possibilità di realizzare effetti collettivi derivanti dalle interazioni fotone-fotone, nonché dalla combinazione tra la dinamica coerente e quella pompata-dissipativa.Oggi, i reticoli fotonici costituiscono un'area di ricerca emergente al confine tra la fisica della materia condensata e l'ottica quantistica; questi sistemi sono descritti dal modello di Bose-Hubbard o dal cosiddetto modello di Jaynes-Cummings-Hubbard, che ha avuto origine agli inizi dell'ottica quantistica.All'interno di questa area di ricerca vi sono importanti questioni aperte, tra cui: qual è il destino delle fasi ordinate in scenari fuori dell'equilibrio?Qual è il ruolo del pompaggio e della dissipazione?Qual è l'importanza della geometria del reticolo nei sistemi pompati-dissipativi? Questi sono i compiti a cui ci dedichiamo in questa tesi.Nel primo progetto, studiamo un reticolo di cavità non-lineari accoppiate descritto dalla versione non-equilibrio del modello di Bose-Hubbard.Utilizzando un'approssimazione di campo medio, dimostriamo che la trasformazione continua tra stati a bassa e ad alta densità di fotoni, ereditata dalla singola cavità, si trasforma in una transizione isteretica di tipo gas-liquido oltre un valore critico del parametro di tunnel tra cavità vicine J. Il confine che separa le trasformazioni vi continue da quelle isteretiche presenta un marcato effetto di commensurabilità quantistica nel numero di fotoni per cavità, che ricorda i famosi lobi di Mott nella fase di equilibrio del modello di Bose-Hubbard.Questo risultato risolve un problema di lunga data e serve da ispirazione a nuovi esperimenti sulle fasi correlate in reticoli fotonici.Nella seconda parte del progetto studiamo uno sviluppo in 1/z (con z il numero di primi-vicini nel reticolo) per migliorare l'approssimazione di campo medio.Abbiamo dimostrato che questo metodo è particolarmente adatto per l'analisi di reticoli bidimensionali, che hanno recentemente suscitato notevole interesse sperimentale ma sono difficili da simulare esattamente con le tecniche disponibili.Nel secondo progetto, introduciamo la frustrazione geometrica nei reticoli fotonici.La frustrazione dà luogo a bande piatte nella relazione di dispersione, che sono estremamente sensibili alle perturbazioni e possono condurre a fasi esotiche della materia, finora principalmente esplorate in sistemi di spin e atomi freddi.Nella prima parte del progetto studiamo la relazione tra frustrazione e interazioni in un reticolo fotonico fuori dall'equilibrio che esibisce una banda piatta ed è descritto da una variante del modello di Jaynes-Cummings-Hubbard. Mostriamo come realizzare correlazioni tra i fotoni in un sistema pompato-dissipativo eliminando l'energia cinetica attraverso la frustrazione.Questo spinge il sistema verso uno stato incompressibile di fotoni, caratterizzato da un ordine cristallino a breve distanza e period-doubling.La seconda parte del progetto è dedicata alla relazione tra frustrazione e disordine.Analizziamo la scoperta sperimentale, che il pompaggio incoerente di un reticolo frustrato di microcavità a semiconduttore è in grado di creare un condensato di eccitoni-polaritoni che esibisce coerenza temporale ma non spaziale.Utilizzando la teoria di Anderson sulla localizzazione caratterizziamo gli effetti del disordine nel sistema e otteniamo una spiegazione soddisfacente dei risultati sperimentali.I risultati di questi due progetti aprono la strada per le simulazioni quantistiche di sistemi frustrati fuori dall'equilibrio e la realizzazione di stati esotici di luce esibenti correlazioni spaziali non banali.Nel terzo progetto, studiamo le proprietà di trasporto di un reticolo dissipativo di cavità accoppiate.Analizziamo l'interazione tra fotoni e materia, quando un singolo sistema a due livelli (qubit) è accoppiato al reticolo fotonico, che costituisce un sistema aperto.Il qubit agisce come un difetto nel reticolo e dà luogo a stati legati di tipo polaritonico, localizzati attorno alla cavità contenente il qubit.vii Caratterizzando la matrice di trasmissione del reticolo, dimostriamo che gli stati legati si trasformano in stati quasi-legati, ma con una vita media estremamente aumentata rispetto ai modi di Bloch standard del reticolo dissipativo.Questo sistema è stato recentemente realizzato in un circuito QED e può essere utilizzato in informazione quantistica e per controllare il trasporto di fotoni all'interno di una banda proibita.In sintesi, questi tre progetti hanno risolto problemi aperti, aperto nuove prospettive di ricerca e proposto/discusso esperimenti nel settore in continuo sviluppo dei reticoli fotonici.Essi rappresentano quindi un valido contributo alla fisica della materia condensata e all'ottica quantistica e favoriranno ulteriori ricerche in queste discipline.
Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d’onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d’InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d’émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d’intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd’émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d’observerune accélération de l’émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l’émission d’un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l’effet laser.
In questo lavoro di tesi vengono utilizzate diverse tecniche di micro-fabbricazione per la realizzazione di dispositivi ottici integrati con applicazioni nell'ambito dell'informazione quantistica, in particolare per la generazione e la manipolazione di stati quantistici basati su fotoni. Sfruttando la tecnica di fabbricazione tramite laser a femtosecondi, sorgenti di singoli fotoni e fotoni entangled sono state integrate su chip. In aggiunta, la stessa tecnica ha permesso la realizzazione di dispositivi insensibili alla polarizzazione per la manipolazione di stati quantistici codificati nella polarizzazione dei singoli fotoni. L'ottimizzazione delle prestazioni e del controllo degli sfasatori termici, che rappresentano componenti essenziali per ampliare le funzionalita dei circuiti ottici integrati, ha permesso di estendere ulteriormente le capacita di tale tecnica di fabbricazione. Infine, una nuova piattaforma basata su guide in ossinitruro di silicio e stata sviluppata all'interno di PoliFab, il centro per le micro- e nano-fabbricazioni del Politecnico di Milano.
Fonctions de Wigner de la lumière quantique émise par des sources à boîte quantiques Les boîtes quantiques semi-conductrices se sont imposées comme d'excellentes sources de photons uniques pour les technologies quantiques optiques. Lorsqu'elles sont insérées dans une cavité optique, elles émettent de manière déterministe des photons uniques purs et indiscernables à la demande, avec des taux d'émission élevés. Les sources de photons uniques à boîte quantiques ont jusqu'à présent été utilisées pour traiter les informations quantiques encodées dans les modes discrets des photons uniques, selon un cadre connu sous le nom de codage à variables discrètes. Alternativement, les informations quantiques peuvent être encodées sur les quadratures continues du champ optique dans le cadre des variables continues. Grâce à leur capacité à générer de manière déterministe des états de lumière non gaussiens complexes et à fournir une non-linéarité optique au niveau du photon unique, les boîtes quantiques dans les cavités pourraient également offrir de nouvelles possibilités pour traiter les informations dans une approche à variables continues.Dans cette thèse de doctorat, nous faisons un premier pas vers le positionnement de nos sources de boîte quantiques comme ressources potentielles pour les technologies quantiques optiques à variables continues. Nous présentons de la mesure de la fonction de Wigner de l'état photonique unique et des états de superposition du nombre de photons générés par un émetteur quantique à l'état solide. Nous avons atteint cet objectif en surmontant les principaux défis liés au fonctionnement dans le régime de faible transmission et à l'ajustement des techniques de mesure au taux d'emission élevé de nos sources de photons uniques : (i) l'optimisation de l'interférence quantique entre l'oscillateur local (un état cohérent faible) et les états photoniques émis par notre dispositif à boîte quantiques, ce qui conduit à des opérations de déplacement optimales, (ii) la correction de la perte de photons, et (iii) la reconstruction de la distribution du nombre de photons à partir de la détection de photons uniques.
Con il termine microKIDs (microwave Kinetic Inductance Detectors) si indicano rivelatori superconduttori, di fotoni a bassa energia (nell’intervallo dei meV). Un KID consiste in una sottile striscia di materiale superconduttore che, grazie alla sua geometria, forma un circuito risonante. I fotoni incidenti rompono le coppie di elettroni (coppie di Cooper) presenti sulla superficie del superconduttore, determinando una variazione dell’impedenza superficiale (in particolare dell’induttanza cinetica) del superconduttore. Questa variazione si traduce a sua volta in variazioni della frequenza di risonanza del rivelatore [Yates et al., 2009]. Tali rivelatori presentano un grosso potenziale nell’esplorazione del lontano infrarosso e della banda di lunghezza d’onda 10-1000µm: tali grandezze sono di fondamentale importanza in quanto contengono un gran numero di informazioni sull’evoluzione e la formazione delle galassie, delle stelle e dei sistemi planetari [Calvo et al., 2010]. Uno degli obiettivi dei moderni rivelatori nell’infrarosso lontano è quello di fornire un’immagine [Hollister et al., 2010]. Per questo è necessario costruire matrici di rivelatori (da diverse centinaia fino ad alcune migliaia). In questo i KIDs, in cui ogni elemento è identificato dalla propria frequenza di risonanza, sono molto vantaggiosi: un unico conduttore può trasportare la somma delle frequenze necessarie (una per risuonatore) e prelevare il segnale di risposta di tutti i risuonatori, permettendo di realizzare un rivelatore compatto. Minimizzare il numero di conduttori verso l’esterno è fondamentale a basse temperature, dove ogni conduttore rappresenta una fuga termica verso l’ambiente. Benché il progetto geometrico dei risuonatori identifichi rigorosamente le frequenze di risonanza, la loro realizzazione fisica introduce errori; sono errori piccoli (decine di kHz su 3 GHz) ma non possono essere accettati a causa dell’alto Q dei risuonatori (≈105). Per questo il pettine di frequenze deve essere adattato ad ogni singola matrice di rivelatori. Il requisito fondamentale del generatore delle frequenze di eccitazione sarà quello di consentire una facile sintonizzazione dei toni generati. Il lavoro qui presentato, che nasce dalla collaborazione tra l’LNTS (Laboratorio Nuove Tecnologie e Strumenti) dell’INGV e il Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma “La Sapienza”, descrive lo strumento realizzato per fornire il pettine di frequenze (nella banda 0 – 20 MHz), facendo riferimento ad un sistema sperimentale per otto risuonatori. In tale sistema il pettine di frequenze verrà traslato nella banda di frequenza dei KIDs (nell’ordine dei GHz) per poterne effettuare l’eccitazione e quindi riportato nella banda iniziale per effettuarne l’acquisizione e l’analisi.