DESIGN OF SILICON PHOTONICS CIRCUITS FOR QUANTUM COMPUTING APPLICATIONS

L’attivita descritta in questa Tesi è stata svolta nell’ambito della collaborazione QUANTEP (QUANtum Technologies Experimental Platform), finanziata dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ed a cui afferiscono oltre 30 ricercatori affiliati a varie Università ed Enti di Ricerca italiani. L’obiettivo principale di questa ricerca è la progettazione e il test di un circuito integrato fotonico basato su tecnologia SoI (Silicon On Insulator) per possibili utilizzi nell’ambito del calcolo quantistico. Il circuito è basato su elementi di ottica lineare, quali guide d’onda, accoppiatori direzionali e reticoli di diffrazione. La prima fase della ricerca, obiettivo di questa tesi, è lo sviluppo di una porta universale Controlled-NOT a due qubit. Questa porta opera su base in coincidenza, eseguendo tutte le funzioni di una porta NOT controllata e richiede solo singoli fotoni in ingresso. Varie versioni del circuito sono state progettate, simulate, ottimizzate e infine prodotte in diverse fonderie europee. Sono stati eseguiti test di funzionalità, per il momento in regime ottico, in attesa del completamento del laboratorio INFN che permetterà misure in regime di singolo fotone. QUANTEP prevede ulteriori sviluppi nei prossimi anni, che comportano l’integrazione nel circuito fotonico di sorgenti e rivelatori di singolo fotone, i primi ottenuti tramite impiantazione ionica direttamente nel silicio, mentre per i secondi verranno utilizzate eterogiunzioni a base di elementi del III-V gruppo quali il Bi2Se3 sotto forma di nano-tubi. Le nano-strutture necessarie sia per le sorgenti che per i rivelatori di singolo fotone sono già state progettate ed incluse nei prototipi di circuiti integrati descritti in questa Tesi.