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.
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.
In questo lavoro di tesi viene utilizzata la tecnica di micro-fabbricazione tramite laser a femtosecondi per l'implementazione in ottica integrata di funzionalita avanzate, con importanti ripercussioni nel campo dell'informazione quantistica, ed, in particolare, per la manipolazione integrata di qubit codificati in polarizzazione di singoli fotoni. Inoltre vengono presentati tre esperimenti nel campo della simulazioni di sistemi quantistici complessi mediante l'utilizzo di strutture dielettriche guidanti, opportunamente ingegnerizzate.
Le tecnologie che sfruttano le proprieta della meccanica quantistica possono essere considerate il prossimo passo piu significativo nell'evoluzione della scienza dell'informazione e delle telecomunicazioni, considerando che quello precedente e stato lo sviluppo dei micro-transistor e delle comunicazioni wireless (senza fili). Teoricamente, persino i computer quantistici di piccole dimensioni potrebbero superare, in quanto a prestazioni, i piu grandi e potenti supercomputer, cosi come le telecomunicazioni quantistiche potrebbero consentire, in modo assolutamente sicuro, nonche senza il minimo rischio di perdita, lo scambio ultra-veloce di informazioni, perfino sulle piu lunghe distanze. Naturalmente, l'importanza di tali tecnologie ha comportato negli ultimi due decenni un grande impiego, da parte di istituzioni sia pubbliche che private, di risorse nel campo della ricerca e dello sviluppo, dando adito ad importantissimi sviluppi tecnologici e scoperte scientifiche.
Tuttavia, ad oggi nessuna di queste tecnologie e stata dimostrata su una piattaforma completa, autonoma e puramente quantistica. Questo in parte poiche la natura quantistica del mondo non e stata ancora compresa appieno ed i suoi principi basilari insinuano il dubbio nella comunita scientifica; in parte poiche le tecnologie odierne non sono in grado di supportare complicati processi quantistici. Una soluzione per entrambe le suddette questioni e stata proposta per essere messa in atto da simulatori, in grado di simulare o performare semplici imput quantistici, utilizzando cosi una piattaforma che potrebbe potenzialmente far intuire meglio la natura della teoria quantistica, ed allo stesso tempo dimostrerebbe il potenziale delle applicazioni quantistiche.
In questa tesi, il femtosecond laser micromachining e stato utilizzato per realizzare circuiti fotonici integrati, che permettono di propagare, controllare e modificare singoli fotoni, in substrati di vetro. Questa tecnologia permette di sviluppare in maniera semplice complicati strumenti ottici, i simulatori quantici, designati all'emulazione di processi quantici attraverso l'uso di singoli fotoni. In particolare, questo esperimento, che e la dimostrazione di una vera e propria simulazione fotonica quantistica, ha permesso per la prima volta di raggiungere l'obiettivo di simulare l'evoluzione di multiple eccitazioni in una catena di spin (catena di rotazione). Un esperimento che testa la proprieta fondamentale del quanto nel contesto della fisica quantistica, dimostrando l'importanza della piattaforma nell'indagine dei fondamentali concetti della fisica. Inoltre, e stato condotto con successo un esperimento sullo sviluppo di un set completo di componenti integrate di processi di polarizzazione per la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Ed infine sono stati raggiunti significanti miglioramenti nel processo della fabbricazione, permettendo la realizzazione di waveguide arrays (schieramenti d'onda) per i percorsi di quanti multiparticellari.
Il centro azoto-vacanza (NV) nel diamante e stato mostrato come un candidato entusiasmante per applicazioni di rilevamento e calcolo quantistico a causa dellungo tempo di coerenza dello spin dell'elettrone nel centro NV e della sua capacita di essere trovato, manipolato e letto otticamente. Una piattaforma fotonica integrata in diamante sarebbe vantaggiosa per la magnetometria di spin e la computazione quantistica basati sul NV rilevati otticamente, in cui i centri NV sono collegati otticamente per l'entanglement quantistico a lungo raggio grazie a la integrazione e a la stabilita fornite dalle guide d'onda ottiche monolitiche. Manca finora un metodo di fabbricazione in grado di produrre i centri NV su richiesta, preservando l'eccellente coerenza degli spin all’interno delle guide d'onda ottiche che permeta la eccitazione il raccoggimento della luce dal centro NV.
In questo lavoro, abbiamo utilizzato la scrittura laser a femtosecondi per formare guide d'onda 3D sepolte in diamante. Progettando la geometria della guida d'onda di tipo II, abbiamo ottenuto la guida a singolo modo dalle lunghezze d'onda visibili a quelle dell'infrarosso. La caratterizzazione della fotoluminescenza ha rivelato che le proprieta delle NV sono state conservate all'interno della guida d'onda. Siamo anche stati in grado di creare singoli centri NV su richiesta in diamante ultrapuro utilizzando un singolo impulso da un laser a femtosecondi. La alta qualita delle propieta delle centri NV create e confirmata da misure di risonanza magnetica rilevate otticamente. Con questi blocchi costitutivi, abbiamo fabbricato un dispositivo integrato fotonico che contiene guide d'onda ottiche accoppiate a centri NV posizionati deterministicamente all'interno della guida. Le singole NV sono state eccitate e le loro emissioni raccolte dalle guide d'onda ottiche, consentendo un interfacciamento facile con le fibre ottiche standard per una piattaforma di fotonica quantistica integrata.
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.
Le memorie quantistiche sono interfacce luce-materia in grado di ricevere, mem-
orizzare e riprodurre uno stato quantistico con una “fidelity” piu alta di qualsiasi altro dispositivo classico.
In questa tesi si studia l’applicazione delle memorie quantistiche a vapori di rubidio a temperatura ambiente per la memorizzazione di qubit in polarizzazione ed in particolare la possibilita di interferire gli impulsi memorizzati sia a livello classico che quantistico.
L’interferenza a due fotoni e infatti alla base dei protocolli di distribuzione di chiave quantistica Measurement-Device-Independent (MDI-QKD) recentemente sviluppati.
Photonique quantique intégrée pour les applications quantiques Cette thèse porte sur la réalisation d’un composant pour la communication quantique à base d’optique intégrée sur niobate de lithium. Nous avons exploité simultanément les propriétés optiques non linéaire et électro-optique du niobate pour générer les états à deux photons configurables et annoncés. En utilisant un laser de pompe en régime picoseconde et des composants issus des technologies des télécommunications, nous avons démontré la capacité à produire divers états à deux photons codés en chemin, montrant 94% de visibilité brute pour l'interférence de type Hong-Ou-Mandel (HOM). La polyvalence et les performances d'une telle source d'intrication photonique aussi fortement intégrée permettent d'explorer des protocoles de traitement de l'information quantique plus complexes trouvant des applications dans les tâches de communication et de métrologie quantiques. Pour permettre l'interférence à deux photons sur la puce, la synchronisation préalable de deux impulsions de pompe à l’entrée de la puce est cruciale. Inspiré par l'expérience des doubles fentes de Young, nous avons synchronisé deux impulsions avec une précision de 100 µm en étudiant le contraste des franges d'interférence lors de la variation du retard relatif de ces impulsions. À l'aide d'un auto-corrélateur et d’un spectromètre, le produit temps-fréquence des impulsions de la pompe a été caractérisé avec précision, puis nous avons identifié la taille des filtres requis pour obtenir des états purs à 99%. La visibilité de l'interférence à deux photons étant liée à la puissance de la pompe, une étude théorique visant à déterminer le niveau de puissance approprié de la pompe a également été réalisée. Enfin, la capacité à générer un état intriqué à deux photons de haute qualité a été démontrée par une mesure de coïncidence quadruple reposant sur des détecteurs supraconducteurs de photons uniques (SNSPD) et un convertisseur temps-numérique programmable. Durant cette thèse, les SNSPDs ont été calibrés, puis un algorithme de comptage logique basé sur Labview a été développé, afin d'enregistrer efficacement et précisément les coïncidences quadruples pour les états N00N et états produits.