Programmable integrated photonic devices produced with femtosecond laser micromachining for quantum applications

Quantum information processing is having a major transformative impact in the fields of communication and computing by enabling secure communication, sensitive measurement systems, advanced simulators, and fast, efficient computers. The implementation of these architectures leverages various physical mechanisms, processes, and platforms engineered to enhance information processing. In this context, photonic technologies capitalize on the unique properties of light as information carriers and benefit from existing telecommunication infrastructures and mature integrated photonics fabrication techniques to implement complex optical systems and large-scale photonic platforms. Recently, integrated photonic devices have significantly advanced the generation and processing of quantum states of light, offering precise state manipulation and inherent phase stability. In this thesis we demonstrate the use of femtosecond laser micromachining as a versatile platform for developing integrated photonic circuits, allowing for the fabrication of complex interferometric circuits in transparent materials such as glass and crystals in a fast and cost-effective way. The focus of this thesis is to combine the optimization of optical waveguides and integrated optical components with advanced fabrication techniques for integrating phase shifters on-chip for the development of scalable and reconfigurable photonic circuits. The devices presented in this thesis span from a generator of multi-photon cluster states to universal photonic processors, adopting novel strategies developed to increase the circuital complexity and integration density of the platform, enhance circuit power efficiency, reduce manufacturing bottlenecks, and accelerate the design-to-deployment process. Moreover, these devices are currently undergoing testing and certification for space use, further demonstrating their versatility and potential for deployment in both terrestrial and space environments.

L'elaborazione dell'informazione quantistica sta avendo un grande impatto nei campi della comunicazione e dell'informatica, consentendo la realizzazione di comunicazioni sicure, sistemi di misurazione sensibili, simulatori avanzati e computer veloci ed efficienti. L'implementazione di queste architetture sfrutta vari meccanismi, processi fisici e piattaforme progettati per migliorare l'elaborazione dell'informazione. In questo contesto, le tecnologie fotoniche sfruttano le proprietà uniche dei fotoni come vettori di informazione e possono beneficiare delle infrastrutture di telecomunicazione esistenti e delle mature tecniche di fabbricazione della fotonica integrata per implementare sistemi ottici complessi e piattaforme fotoniche su larga scala. Recentemente, i dispositivi fotonici integrati hanno fatto progredire in modo significativo la generazione e l'elaborazione di stati fotonici quantistici, offrendo una manipolazione precisa dello stato e una instinseca stabilità di fase. In questa tesi dimostriamo l'uso della microlavorazione laser a femtosecondi come piattaforma versatile per lo sviluppo di circuiti fotonici integrati, consentendo la fabbricazione di complessi circuiti interferometrici in materiali trasparenti in modo rapido ed economico. L'obiettivo di questa tesi è combinare l'ottimizzazione delle guide d'onda e di componenti ottici integrati con tecniche di fabbricazione avanzate per l'integrazione di sfasatori on-chip per lo sviluppo di circuiti fotonici scalabili e riconfigurabili. I dispositivi presentati in questa tesi spaziano da un generatore di stati cluster multifotonici a processori fotonici universali, adottando varie strategie innovative sviluppate per aumentare la complessità circuitale e la densità di integrazione della piattaforma, migliorare l'efficienza energetica del circuito, ridurre i colli di bottiglia della produzione e accelerare l'iter di progettazione e implementazione. Inoltre, questi dispositivi sono attualmente in fase di test e certificazione per l'uso spaziale, dimostrando ulteriormente la loro versatilità e il loro potenziale per l'impiego in ambienti sia terrestri che spaziali.