(English) Two-photon quantum correlations are a resource for quantum communication, sensing, and imaging. Coincidence-based quantum imaging leverages spatiotemporal quantum correlations to form images from two-photon coincidences rather than intensity alone. To be useful beyond free-space laboratory setups, such as in access-constrained, realistic settings, quantum correlations must be distributed through compact waveguides while remaining usable after propagation across many spatial modes and at practical rates. This thesis develops methods for waveguide-based quantum imaging by integrating and advancing three main technology components: engineered quantum light sources based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC), optical waveguides (including disordered and multicore optical fibre), and detection with single-photon avalanche diode (SPAD) array cameras, through both time-tagging and rolling-delay compensation. We demonstrate and quantify transport of quantum spatiotemporal correlations, and implement quantum imaging in a waveguided geometry using optical fibre. In addition, we show real-time operation with continuous coincidence image frames. The main specific achievements are: - Foundations for correlation transport. We model the propagation of quantum correlated SPDC two-photon states in media (continuous and discrete pictures), identifying measurable signatures of correlation conservation after transport. We develop a protocol that measures the waveguide point-spread function via coincidence imaging with a time-tagging SPAD array and timestamp post-processing. Using these tools, we define metrics to certify and quantify correlation transport through waveguides, and map its dependence on waveguide parameters. - Waveguide-based transport of SPDC correlations We validate transmission of SPDC spatiotemporal correlations through a custom-fabricated transverse Anderson localization optical fibre and a commercially available multicore fibre (MCF), showing high-dimensional, mode-parallel delivery of correlations necessary for coincidence imaging protocols. We inject position anticorrelated photon pairs into the fibres, extract coincidences from SPAD array timestamps, characterize the waveguide point-spread function through the coincidence-imaging protocol and quantify preservation of correlations. - Waveguided quantum ghost imaging. Building on the established quantum correlation distribution, we implement waveguided quantum ghost imaging (QGI) through a MCF using a non-degenerate signal-idler photon pair SPDC source. The idler illuminates the sample through the waveguide and is detected with a single SPAD, while the signal, which has not interacted with the sample, is imaged with spatial resolution on a SPAD array camera. We report image quality and imaging rates, and identify limits of optical resolution. - Real-time quantum ghost imaging. We realize real-time, low-latency QGI (free-space and waveguided) by leveraging in-pixel asynchronous coincidence extraction in the SPAD array camera, eliminating external post-processing latency. Coincidence image frames are produced continuously, supporting live alignment and use. Together, these results provide methods for waveguided, mode-parallel delivery and measurement of quantum correlations using optical fibre transport and SPAD array camera coincidence imaging, and thus extend quantum imaging technology towards practical waveguided settings. This may outline routes to applications in constrained environments, low photon flux regimes, and imaging at unusual wavelengths, potentially enabling new use-cases for quantum imaging, for example in the life sciences. (Català) Les correlacions quàntiques de dos fotons són un recurs per a la comunicació, la detecció i la imatge quàntiques. La formació d’imatges quàntiques basada en coincidències utilitza correlacions espaciotemporals quàntiques per generar imatges a partir de coincidències de dos fotons, en lloc de la intensitat. Perquè aquesta tècnica sigui útil més enllà dels muntatges en espai lliure de laboratori -- com en entorns realistes i amb accés limitat -- les correlacions quàntiques han de poder distribuir-se mitjançant guies d’ona compactes, mantenint-se útils després de la propagació a través de molts modes espacials i a taxes pràctiques. Aquesta tesi desenvolupa mètodes d’imatge quàntica basada en guies d’ona integrant i desenvolupant tres components tecnològics principals: fonts de llum quàntica basades en conversió paramètrica espontània descendent (SPDC, per les seves sigles en anglès, spontaneous parametric down-conversion), guies d’ona òptiques (incloent estructures de fibres òptiques desordenades i de múltiples nuclis) i detecció amb càmeres de matriu de fotodíodes d’allau de fotó únic (SPAD, single-photon avalanche diode). Demostrem i quantifiquem el transport de correlacions quàntiques espaciotemporals i implementem imatge quàntica amb guia d’ona mitjançant fibra òptica. Mostrem la generació d’imatges per coincidència en temps real. Els principals resultats específics són: - Fonaments del transport de correlacions. Modelem la propagació d’estats de dos fotons de SPDC, correlacionats quànticament en medis continus i discrets, identificant signatures mesurables de preservació de correlacions després del transport. Desenvolupem un protocol per mesurar la funció de dispersió puntual (PSF, point-spread function) de la guia d’ona mitjançant imatge per coincidències amb una càmera SPAD amb registre temporal i processat posterior de marques de temps. Amb aquestes eines, definim mètriques per verificar i quantificar el transport de correlacions a través de guies d’ona i caracteritzar-ne la dependència dels paràmetres de la guia. - Transport de correlacions de SPDC amb guia d’ona. Validem la transmissió de correlacions espaciotemporals de SPDC a través d’una fibra òptica amb localització transversal d’Anderson fabricada a mida i d’una fibra de múltiples nuclis (MCF, multicore fibre) comercial, mostrant transport de correlacions d’alta dimensionalitat en modes paral·lels, clau per a la imatge per coincidències. - Imatge quàntica fantasma amb guia d’ona. A partir de la distribució establerta de correlacions quàntiques, implementem imatge quàntica fantasma amb guia d’ona (QGI, quantum ghost imaging) mitjançant una MCF amb una font SPDC de parells fotònics signal-idler no degenerats. L’idler il·lumina la mostra a través de la MCF i es detecta amb un únic SPAD, mentre que el signal, que no ha interaccionat amb la mostra, es registra amb resolució espacial en una càmera SPAD. Es presenten la qualitat d’imatge, les taxes d’adquisició i els límits de resolució òptica. - Imatge quàntica fantasma en temps real. Aconseguim imatge quàntica fantasma (en espai lliure i amb guia d’ona) en temps real i amb baixa latència, aprofitant l’extracció asíncrona de coincidències en píxel de la càmera SPAD, eliminant la latència de processat extern. Els fotogrames de coincidències es generen de manera contínua, cosa que permet el seu alineament i ús en directe. En conjunt, aquests resultats proporcionen mètodes per a la distribució i mesura de correlacions quàntiques en guies d’ona entre diversos modes en paral·lel mitjançant transport per fibra òptica i formació d’imatges per coincidència amb càmeres SPAD, ampliant així la tecnologia d’imatge quàntica cap a entorns pràctics amb guia d’ona. Això pot obrir vies a aplicacions en entorns limitats, amb baix flux fotònic i longituds d’ona inusuals, possibilitant nous casos d’ús per a la imatge quàntica, per exemple en ciències de la vida. (Español) Las correlaciones cuánticas de dos fotones son un recurso para comunicación, detección e imagen cuánticas. La formación de imágenes cuánticas basada en coincidencias utiliza correlaciones espaciotemporales cuánticas para generar imágenes a partir de coincidencias de dos fotones, en lugar de la intensidad. Para que esta técnica sea útil más allá de los montajes en espacio libre de laboratorio -- como en entornos realistas y con acceso limitado -- las correlaciones cuánticas deben poder distribuirse mediante guías de onda compactas, manteniéndose útiles tras la propagación a través de muchos modos espaciales y a tasas prácticas. Esta tesis desarrolla métodos de imagen cuántica basada en guías de onda integrando y desarrollando tres componentes tecnológicos principales: fuentes de luz cuántica basadas en conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC, por sus siglas en inglés, spontaneous parametric down-conversion), guías de onda ópticas (incluyendo estructuras de fibras ópticas desordenadas y multinúcleo) y detección con cámaras de matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD, single-photon avalanche diode). Demostramos y cuantificamos el transporte de correlaciones cuánticas espaciotemporales e implementamos imagen cuántica con guía de onda mediante fibra óptica. Mostramos generación de imágenes por coincidencia en tiempo real. Los principales logros específicos son: - Fundamentos del transporte de correlaciones. Modelamos la propagación de estados de dos fotones de SPDC, correlacionados cuánticamente en medios continuos y discretos, identificando firmas medibles de preservación de correlaciones tras el transporte. Desarrollamos un protocolo para medir la función de dispersión puntual (PSF, point-spread function) de la guía de onda mediante imagen por coincidencias con una cámara SPAD con registro temporal y procesamiento posterior de marcas de tiempo. Con estas herramientas, definimos métricas para verificar y cuantificar el transporte de correlaciones a través de guías de onda y caracterizar su dependencia de los parámetros de la guía. - Transporte de correlaciones de SPDC con guía de onda. Validamos la transmisión de correlaciones espaciotemporales de SPDC a través de una fibra óptica con localización transversal de Anderson fabricada a medida y de
(English) Two-photon quantum correlations are a resource for quantum communication, sensing, and imaging. Coincidence-based quantum imaging leverages spatiotemporal quantum correlations to form images from two-photon coincidences rather than intensity alone. To be useful beyond free-space laboratory setups, such as in access-constrained, realistic settings, quantum correlations must be distributed through compact waveguides while remaining usable after propagation across many spatial modes and at practical rates. This thesis develops methods for waveguide-based quantum imaging by integrating and advancing three main technology components: engineered quantum light sources based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC), optical waveguides (including disordered and multicore optical fibre), and detection with single-photon avalanche diode (SPAD) array cameras, through both time-tagging and rolling-delay compensation. We demonstrate and quantify transport of quantum spatiotemporal correlations, and implement quantum imaging in a waveguided geometry using optical fibre. In addition, we show real-time operation with continuous coincidence image frames. The main specific achievements are: - Foundations for correlation transport. We model the propagation of quantum correlated SPDC two-photon states in media (continuous and discrete pictures), identifying measurable signatures of correlation conservation after transport. We develop a protocol that measures the waveguide point-spread function via coincidence imaging with a time-tagging SPAD array and timestamp post-processing. Using these tools, we define metrics to certify and quantify correlation transport through waveguides, and map its dependence on waveguide parameters. - Waveguide-based transport of SPDC correlations We validate transmission of SPDC spatiotemporal correlations through a custom-fabricated transverse Anderson localization optical fibre and a commercially available multicore fibre (MCF), showing high-dimensional, mode-parallel delivery of correlations necessary for coincidence imaging protocols. We inject position anticorrelated photon pairs into the fibres, extract coincidences from SPAD array timestamps, characterize the waveguide point-spread function through the coincidence-imaging protocol and quantify preservation of correlations. - Waveguided quantum ghost imaging. Building on the established quantum correlation distribution, we implement waveguided quantum ghost imaging (QGI) through a MCF using a non-degenerate signal-idler photon pair SPDC source. The idler illuminates the sample through the waveguide and is detected with a single SPAD, while the signal, which has not interacted with the sample, is imaged with spatial resolution on a SPAD array camera. We report image quality and imaging rates, and identify limits of optical resolution. - Real-time quantum ghost imaging. We realize real-time, low-latency QGI (free-space and waveguided) by leveraging in-pixel asynchronous coincidence extraction in the SPAD array camera, eliminating external post-processing latency. Coincidence image frames are produced continuously, supporting live alignment and use. Together, these results provide methods for waveguided, mode-parallel delivery and measurement of quantum correlations using optical fibre transport and SPAD array camera coincidence imaging, and thus extend quantum imaging technology towards practical waveguided settings. This may outline routes to applications in constrained environments, low photon flux regimes, and imaging at unusual wavelengths, potentially enabling new use-cases for quantum imaging, for example in the life sciences. (Català) Les correlacions quàntiques de dos fotons són un recurs per a la comunicació, la detecció i la imatge quàntiques. La formació d’imatges quàntiques basada en coincidències utilitza correlacions espaciotemporals quàntiques per generar imatges a partir de coincidències de dos fotons, en lloc de la intensitat. Perquè aquesta tècnica sigui útil més enllà dels muntatges en espai lliure de laboratori -- com en entorns realistes i amb accés limitat -- les correlacions quàntiques han de poder distribuir-se mitjançant guies d’ona compactes, mantenint-se útils després de la propagació a través de molts modes espacials i a taxes pràctiques. Aquesta tesi desenvolupa mètodes d’imatge quàntica basada en guies d’ona integrant i desenvolupant tres components tecnològics principals: fonts de llum quàntica basades en conversió paramètrica espontània descendent (SPDC, per les seves sigles en anglès, spontaneous parametric down-conversion), guies d’ona òptiques (incloent estructures de fibres òptiques desordenades i de múltiples nuclis) i detecció amb càmeres de matriu de fotodíodes d’allau de fotó únic (SPAD, single-photon avalanche diode). Demostrem i quantifiquem el transport de correlacions quàntiques espaciotemporals i implementem imatge quàntica amb guia d’ona mitjançant fibra òptica. Mostrem la generació d’imatges per coincidència en temps real. Els principals resultats específics són: - Fonaments del transport de correlacions. Modelem la propagació d’estats de dos fotons de SPDC, correlacionats quànticament en medis continus i discrets, identificant signatures mesurables de preservació de correlacions després del transport. Desenvolupem un protocol per mesurar la funció de dispersió puntual (PSF, point-spread function) de la guia d’ona mitjançant imatge per coincidències amb una càmera SPAD amb registre temporal i processat posterior de marques de temps. Amb aquestes eines, definim mètriques per verificar i quantificar el transport de correlacions a través de guies d’ona i caracteritzar-ne la dependència dels paràmetres de la guia. - Transport de correlacions de SPDC amb guia d’ona. Validem la transmissió de correlacions espaciotemporals de SPDC a través d’una fibra òptica amb localització transversal d’Anderson fabricada a mida i d’una fibra de múltiples nuclis (MCF, multicore fibre) comercial, mostrant transport de correlacions d’alta dimensionalitat en modes paral·lels, clau per a la imatge per coincidències. - Imatge quàntica fantasma amb guia d’ona. A partir de la distribució establerta de correlacions quàntiques, implementem imatge quàntica fantasma amb guia d’ona (QGI, quantum ghost imaging) mitjançant una MCF amb una font SPDC de parells fotònics signal-idler no degenerats. L’idler il·lumina la mostra a través de la MCF i es detecta amb un únic SPAD, mentre que el signal, que no ha interaccionat amb la mostra, es registra amb resolució espacial en una càmera SPAD. Es presenten la qualitat d’imatge, les taxes d’adquisició i els límits de resolució òptica. - Imatge quàntica fantasma en temps real. Aconseguim imatge quàntica fantasma (en espai lliure i amb guia d’ona) en temps real i amb baixa latència, aprofitant l’extracció asíncrona de coincidències en píxel de la càmera SPAD, eliminant la latència de processat extern. Els fotogrames de coincidències es generen de manera contínua, cosa que permet el seu alineament i ús en directe. En conjunt, aquests resultats proporcionen mètodes per a la distribució i mesura de correlacions quàntiques en guies d’ona entre diversos modes en paral·lel mitjançant transport per fibra òptica i formació d’imatges per coincidència amb càmeres SPAD, ampliant així la tecnologia d’imatge quàntica cap a entorns pràctics amb guia d’ona. Això pot obrir vies a aplicacions en entorns limitats, amb baix flux fotònic i longituds d’ona inusuals, possibilitant nous casos d’ús per a la imatge quàntica, per exemple en ciències de la vida. (Español) Las correlaciones cuánticas de dos fotones son un recurso para comunicación, detección e imagen cuánticas. La formación de imágenes cuánticas basada en coincidencias utiliza correlaciones espaciotemporales cuánticas para generar imágenes a partir de coincidencias de dos fotones, en lugar de la intensidad. Para que esta técnica sea útil más allá de los montajes en espacio libre de laboratorio -- como en entornos realistas y con acceso limitado -- las correlaciones cuánticas deben poder distribuirse mediante guías de onda compactas, manteniéndose útiles tras la propagación a través de muchos modos espaciales y a tasas prácticas. Esta tesis desarrolla métodos de imagen cuántica basada en guías de onda integrando y desarrollando tres componentes tecnológicos principales: fuentes de luz cuántica basadas en conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC, por sus siglas en inglés, spontaneous parametric down-conversion), guías de onda ópticas (incluyendo estructuras de fibras ópticas desordenadas y multinúcleo) y detección con cámaras de matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD, single-photon avalanche diode). Demostramos y cuantificamos el transporte de correlaciones cuánticas espaciotemporales e implementamos imagen cuántica con guía de onda mediante fibra óptica. Mostramos generación de imágenes por coincidencia en tiempo real. Los principales logros específicos son: - Fundamentos del transporte de correlaciones. Modelamos la propagación de estados de dos fotones de SPDC, correlacionados cuánticamente en medios continuos y discretos, identificando firmas medibles de preservación de correlaciones tras el transporte. Desarrollamos un protocolo para medir la función de dispersión puntual (PSF, point-spread function) de la guía de onda mediante imagen por coincidencias con una cámara SPAD con registro temporal y procesamiento posterior de marcas de tiempo. Con estas herramientas, definimos métricas para verificar y cuantificar el transporte de correlaciones a través de guías de onda y caracterizar su dependencia de los parámetros de la guía. - Transporte de correlaciones de SPDC con guía de onda. Validamos la transmisión de correlaciones espaciotemporales de SPDC a través de una fibra óptica con localización transversal de Anderson fabricada a medida y de
(English) Entangled photon pairs can enhance optical imaging capabilities. Phase imaging allows detecting fine detail of transparent samples without potentially invasive fluorescent labelling, and here entanglement enables a higher signal-to-noise ratio (SNR) than possible with only classical light. Spatial correlations from spontaneous parametric down conversion (SPDC) photon pair sources can also be used to increase spatial resolution and robustness to noise and aberrations in imperfect optical systems. Quantum imaging therefore represents a powerful approach to push imaging science beyond its current limits. Until recently, the principal barrier to implementing useful quantum imaging schemes based on entangled photons has been technological, as scalable image sensors capable of multi-photon imaging were unavailable. However, this situation has changed with the development of single photon avalanche diode (SPAD) array cameras, as well as efficient high brightness entangled photon pair sources based on SPDC. These advances have led to the required components now approaching relative technological maturity, opening the window towards engineering useful and scalable systems that exploit entanglement in order to improve optical imaging. In this thesis, we show the development of a quantum imaging platform able to perform practical and fast spatially resolved multi-photon coincidence imaging with high SNR. Special focus is placed on wide-field entanglement-enhanced phase imaging capability, in order to extend experimental sensitivity beyond limits imposed by classical light. The main components of our platform are: sources of hyper-entangled photon pairs, a large field-of-view optical imaging system with phase measurement capabilities, and coincidence imaging using SPAD array cameras. More specifically, the thesis describes: •The first realization of a wide-field entanglement-enhanced phase imager. Wide-field here refers to the ability to acquire images across the entire field-of-view simultaneously (i.e. without need for pixel-to-pixel scanning, sometimes also called full-field). Quantum-enabled super-sensitivity in phase imaging beyond the capability of equivalent classical measurement is demonstrated by careful experimental noise and resource analysis methods. Our system’s capabilities were tested through several sample measurements corresponding to use cases with real-world relevance, including nanometre-scale feature step heights in transparent material, biomedical protein microarrays, as well as birefringent phase samples. •The development of general experimental and numerical tools to calculate photon pair coincidence images and videos from SPAD array cameras, with photon-counting and time-tagging readout modalities, as well as the retrieval of phase images resulting from multi-photon entanglement interference, by adapting techniques from interferometry and holography. We performed also a detailed study and optimization of the influence of different experimental parameters resulting image quality factors. •The evolution and optimization of our system towards real-time quantum imaging capability. Acquisition speed is a key element of usefulness, and in this thesis we integrate, first, a visible-wavelength entangled photon source, and second, a novel time-tagging SPAD array camera. The resulting entanglement-enabled imager presents an improvement by at least four orders of magnitude in measurement speed compared to previous state-of-the-art demonstrations, resulting in the ability to record ~Hz frame rate entangled photon pair coincidence videos. We show that this system, besides phase imaging, has additional applications in the form of real-time entangled state fidelity monitoring, and real-time point spread function characterization of optical systems, which has important applicability to adaptive optical imaging. (Español) Los pares de fotones entrelazados pueden mejorar la capacidad de obtención de imágenes. La formación de imágenes de fase permite detectar detalles de muestras transparentes con alta precisión y sin necesitar marcas fluorescentes potencialmente invasivas. Además, el entrelazamiento permite una mayor relación señal-ruido (SNR, por sus siglas en inglés) de la que es posible utilizando luz clásica. Las correlaciones espaciales de las fuentes de pares de fotones basadas en conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC, por sus siglas en inglés) también pueden ser empleadas para aumentar la resolución espacial, y la robustez frente al ruido y a las aberraciones. Por tanto, las técnicas de captación de imagen cuántica son una potente estrategia para impulsar el campo de la ciencia de la fotografía especializada más allá de sus límites actuales. La mayor barrera en la implementación de esquemas de captación de imágenes cuánticas basadas en fotones entrelazados es principalmente tecnológica, al carecer de sensores de imagen escalables capaces de detectar imágenes multifotónicas. No obstante, el desarrollo de cámaras de matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único (SPAD, por sus siglas en inglés), y de fuentes de pares de fotones entrelazados de alta eficiencia y brillo, basadas en SPDC, ha cambiado el panorama actual. Estos avances han permitido que los componentes necesarios alcancen una relativa madurez tecnológica, lo que abre una ventana de oportunidad para la ingeniería de sistemas útiles que aprovechan el entrelazamiento para mejorar la imagen óptica. En esta tesis, mostramos el desarrollo de una plataforma de captación de imágenes cuántica práctica y rápida, capaz de generar imágenes mediante el uso de coincidencias multifotónicas. Principalmente, nos centramos en la capacidad de formar imágenes de fase de campo amplio, mejoradas por entrelazamiento. Los componentes principales de nuestra plataforma son: fuentes de pares de fotones hiperentrelazados, un sistema óptico de imagen con un gran campo de visión y capacidad de medición de fase, y formación de imagen mediante la detección en coincidencias utilizando cámaras SPAD. Específicamente, la tesis describe: - La primera realización de un sistema de captación de imágenes de fase en configuración de campo amplio mejorado por entrelazamiento. Utilizando métodos de análisis del ruido y de los recursos, se logró demostrar la supersensibilidad en la medición de fase facilitada por iluminación con luz cuántica. Las capacidades de nuestro sistema se probaron con medidas correspondientes a ejemplos del mundo real, por ejemplo, midiendo microarreglos ultrafinos (grosor de nm) en materiales transparentes, muestras biomédicas de microarrays de proteínas, y de fase birrefringente. - El desarrollo de herramientas numéricas y experimentales generales para calcular imágenes y vídeos de coincidencias de pares de fotones con cámaras SPAD, con modos de lectura de conteo de fotones y etiquetado de tiempo. Además, se desarrolló la recuperación de imágenes de fase del entrelazamiento, adaptando técnicas de interferometría y holografía. Asimismo, se realizó un estudio detallado sobre la influencia de diferentes parámetros experimentales en los factores de calidad de imagen. La evolución y optimización de nuestro sistema hacia la formación de imágenes cuánticas en tiempo real. Se integró primero una fuente de fotones entrelazados de longitud de onda visible y, seguidamente, una nueva cámara SPAD con marcado temporal. El sistema resultante presenta una mejora de al menos cuatro órdenes de magnitud en la velocidad de medición en comparación con otras demostraciones. Esto confiere al sistema la capacidad de grabar vídeos de coincidencias de pares de fotones entrelazados con una tasa de fotogramas de Hz. Este sistema, además de medir la fase, tiene aplicaciones para monitorizar tanto la fidelidad de estados de entrelazamiento como la caracterización de la función de dispersión de punto.
Quantum correlations, such as those existing between photons produced by spontaneous parametric down-conversion (SPDC), are ubiquitous in quantum photonic technologies. To develop applications, they must be precisely tailored and efficiently measured, which is often challenging in practice. This article presents an image encoding-decoding method based on the quantum correlations of photon pairs, highlighting recent advances in detecting and controlling these correlations for imaging and sensing applications.
In an array of nonlinear waveguides, quantum states can be generated from classical states through spontaneous parametric down-conversion of photons. This work simulates and analyzes the effect of disorder on light propagation and its quantum correlations, implementing disorder in three system parameters: coupling, injection amplitude, and injection phase. It is determined that when light is injected into only one waveguide, disorder in the coupling increases localization and reduces dispersion. Moreover, in this case, propagation tends to remain ballistic, a characteristic feature of waveguide arrays. Conversely, disorder in the injection amplitude and phase tends to delocalize the wave function, with the latter having a more pronounced effect. Finally, it is observed that quantum correlations, obtained from the correlation matrix, are robust in the presence of disorder, particularly the null elements. -- En un arreglo de guías de onda no lineales se pueden generar estados cuánticos a partir de estados clásicos mediante la conversión paramétrica descendente espontánea de fotones. En este trabajo se simula y analiza el efecto del desorden en la propagación de la luz y sus correlaciones cuánticas, implementando desorden en tres perfiles del sistema: acoplamiento, amplitud de inyección y fase de inyección. Se determina que, cuando se inyecta solamente una guía de onda, el desorden en el acoplamiento aumenta la localización y disminuye la dispersión. Además, en este caso se preserva la propagación con tendencia a ser balística, lo cual es característico de arreglos de guías de onda. Contrariamente, el desorden en la amplitud y fase de inyección tienden a deslocalizar la función de onda, siendo el efecto mayor en el último caso. Finalmente, se observa que las correlaciones cuánticas, obtenidas a partir de la matriz de correlación, son robustas ante la presencia de desorden, en particular los elementos nulos.
Quantum imaging leverages nonclassical correlations to reveal features that may vanish in conventional event integration [ 1, 2]. While single-photon detectors are well-established, quantum imaging demands complex data acquisition across many thousands of detectors, each generating rich metadata including triggering time, duration, and other properties. Consequently, effective data management, data wrangling, and correlation extraction become critical challenges. In this work, we investigate optimal handling of spatial correlations from a quantum-photonic source (spontaneous parametric down-conversion, SPDC) using an emerging single-photon event-based camera, the TPX3CAM (256×256 array, supported by an intensifier). Utilizing a femtosecond photon-pair source, we comprehensively analyse noise characteristics, including temporal dynamics and spatial distribution, to develop advanced spatio-temporal noise suppression strategies tailored to camera performance. Our primary objectives include real-time isolation and preprocessing of correlative data. Our analysis demonstrates the potential of these real-time correlation detection and noise reduction algorithms to expand quantum imaging capabilities across diverse scientific domains. Potential applications include high-resolution spectroscopy in biology, materials science, and advanced electron microscopy, where these techniques could enable identification of cascaded two-photon processes with atomic-scale precision. Figure 1 shows an excellent example of such a detection in real-space. The ring feature corresponds to the location of the correlated photon-pairs produced from the SPDC process. This is also apparent in figure 2, where we see a strong anti-correlation between the coordinates of the detected photons – corresponding to photon-pairs. <!-- named anchor --> Figure 1: Distribution of SPDC photons on TPX3CAM <!-- named anchor --> Figure 2: Spatial anti-correlation of x-coordinates
Quantum memories (QMs) for light represent a fundamental ingredient for the development of a quantum internet. Among other applications, they are a building block for the distribution of entanglement on large scale, i.e. for the realization of a quantum repeater architecture. Rare earth doped crystals (REDCs) are a promising candidate towards this goal. In my thesis I use a Pr3+:Y2SiO5 crystal. The longest storage time and the highest retrieval efficiency for a solid-state memory measured so far, were demonstrated with this system (in the classical regime). However, the main advantages of solid-state platforms are their suitability for miniaturization and integration as well as their inhomogeneous broadening, which enables broadband storage and spectral multiplexing. In this thesis we demonstrate an on-demand solid-state QM for real single photons. Moreover we study new platforms for integrated QM based on the same material. We employ the atomic frequency comb (AFC) technique, which is the most promising storage protocol in terms of temporal multiplexing up to now. Until the start of my PhD there was still no demonstration of storage of a real quantum state of light with an on-demand readout in REDCs. We achieved this in the course of this thesis, measuring also for the first time (and only, at the time of writing) non-classical correlation between a single spin wave in a solid-state QM and a telecom photon. After proving the suitability of Pr3+:Y2SiO5 crystals for on-demand QMs, we demonstrated novel types of integrated optical memories based on the same system. We studied the spectroscopic and coherence properties of the ions in laser-written waveguides fabricated by fs-laser micromachining. These projects were developed in collaboration with Dr. R. Osellame and Dr. G. Corrielli at Politecnico di Milano, who fabricated the waveguides and analysed their guiding properties. In a first kind of waveguide, called type II, we performed the first storage with on-demand retrieval ever done in solid-state integrated optical memories (with classical light). We continued analysing a so-called type I waveguide, in which the mode-size is comparable with the mode guided in a single-mode fiber at the same wavelength. Here we showed storage of heralded single-photons for a pre-programmed time. The demonstrated storage time, 5.5 µs, is the longest quantum storage demonstrated in any integrated waveguide up to now. Finally, we performed in the same waveguide storage of the whole spectrum of a frequency-multiplexed heralded photon, spanning a range of frequencies of ˜ 4 GHz. The photon is naturally multiplexed due to the generation method used, namely cavity-enhanced SPDC. The possibility of storing such a broad spectrum comes from the intrinsic inhomogeneous broadening present in REDCs. Together with the 15 frequency modes constituting the multiplexed photon, 9 temporal modes were stored thanks to the intrinsic temporal multimodality of the AFC protocol. The method used to fabricate our waveguides, fs-laser micromachining, is the only one to our knowledge that allows for direct 3D fabrication in the substrate. In the future, this will yield matrices of fiber-pigtailed waveguide-based QMs, thus enabling a high degree of spatial multiplexing, which nowadays is mostly exploited in atomic clouds, where temporal and spectral multiplexing are more difficult to achieve. The crystal, the protocol and the waveguide fabrication technique employed in this thesis, represent all together a very promising system, opening the way for a future quantum repeater architecture based on scalable highly multiplexed QMs. Les memòries quàntiques (MQs) per a la llum constitueixen un ingredient fonamental per al desenvolupament d’un Internet quàntic. Entre altres aplicacions, són un element bàsic per a la distribució de l’entrellaçament a llargues distancies, és a dir, per a la realització d’un repetidor quàntic. Els cristalls dopats amb terres rares (REDC) són candidats prometedors cap a aquest objectiu. En la meva tesi uso el cristall Pr3+:Y2SiO5. Amb aquest sistema (en el règim clàssic) es va demostrar el temps d’emmagatzematge més llarg i la major eficiència d’una memòria d’estat sòlid. No obstant això, els principals avantatges de les plataformes en estat sòlid són la possibilitat de miniaturització i integració, així com la ampliació inhomogènia dels seus perfils d’absorció, que permet emmagatzemar fotons amb banda ampla o multiplexats en freqüència. En aquesta tesi demostrem una MQ d’estat sòlid amb lectura on-demand per a fotons únics reals. A més, estudiem noves plataformes per a MQs integrades basades en el mateix material. Utilitzem la tècnica de pinta de freqüència atòmica (AFC), que és el protocol d’emmagatzematge més prometedor per a multiplexació temporal fins ara. Al començament del meu doctorat no hi havia cap demostració d’emmagatzematge d’un real estat quàntic amb una lectura on-demand del fotó en REDC. Ho hem aconseguit en el curs d’aquesta tesi, mesurant també per primera vegada (i única, en el moment d’escriure), una correlació no-clàssica entre una única ona de spin en una MQ d’estat sòlid i un fotó de telecomunicacions. Després de demostrar la idoneïtat dels cristalls Pr3+:Y2SiO5 com MQs, vam demostrar nous tipus de memòries òptiques integrades basades en el mateix sistema. Vam estudiar les propietats espectroscòpiques i de coherència dels ions en guies d'ones escrites amb làser fabricades amb la tècnica del fs-làser micromachining. Aquests projectes van ser desenvolupats en col·laboració amb el Dr. R. Osellame i el Dr. G. Corrielli del Politècnic de Milà, que van fabricar les guies d'ones i van analitzar les seves propietats orientadores. En un primer tipus de guia d'ona, anomenada tipus II, vam realitzar el primer emmagatzematge amb lectura on-demand mai realitzada en memòries òptiques integrades en estat sòlid (amb llum clàssica). Després vam analitzar un altre tipus de guia d’ondes anomenada tipus I, en la qual la mida del mode és comparable amb el mode guiat en una fibra monomode a la mateixa longitud d’ona. Aquí vam mostrar l’emmagatzematge de fotons simples durant un temps preprogramat. El temps d’emmagatzematge demostrat, de 5.5 µs, és fins ara l'emmagatzematge quàntic més llarg demostrat en qualsevol guia d'ones integrada. Finalment, es va realitzar en la mateixa guia l’emmagatzematge de tot l'espectre d'un bi-fotó multiplexat en freqüència, abastant un rang de freqüències de ˜4 GHz. El fotó és multiplexat de forma natural gracies al mètode de generació utilitzat, és a dir, el SPDC millorat per cavitat. La possibilitat d’emmagatzemar un espectre tan ampli prové de l’ampliació intrínseca de l’absorció inhomogènia present en els REDC. Juntament amb els 15 modes de freqüència que constitueixen el fotó multiplexat, s'han emmagatzemat 9 modes temporals gràcies a la multimodalitat temporal intrínseca del protocol AFC. El mètode utilitzat per fabricar les nostres guies d'ona, fs-làser micromachining, és l'únic que coneixem que permet directament fabricar en 3D en el substrat. En el futur, això donarà matrius de MQs basades en guies d’onades integrades con fibres, que permetran un alt grau de multiplexació espacial, que avui en dia s’explota sobretot en núvols atòmics, on el multiplexatge temporal i espectral és més difícil d’aconseguir. El cristall, el protocol i la tècnica de fabricació de guies d'ona utilitzats en aquesta tesi, representen tots junts un sistema
Quantum Ghost Imaging (QGI) is a scheme which uses the temporal correlation of entangled photon pairs (signal and idler) to identify detections belonging to actual entangled pairs and separate them from uncorrelated detections. By also exploiting the spatial correlation of the photon pair, this identification allows to extract image information of the idler photons by imaging the signal photons. This can even be done for non-degenerate photon pairs, allowing imaging at wavelengths without sophisticated cameras in this regime. Recent advances in detector technology, especially single photon avalanche diodes (SPADs), allow the design for new cameras capable of single photon detection with both high spatial and temporal resolution. These new detectors are especially useful for application in QGI, allowing to detect each photon individually and identify the correlated pairs after the measurement. It further allows to analyse the time-of-flight of photons and thus enables 3D imaging, the first realization of which will be presented here.