Quantum technologies are now a concrete reality, capable of overcoming the limitations of classical devices in computing, communication and sensing. At the heart of this revolution lies the qubit: the ability to manipulate it through quantum gates is essential for implementing arbitrary quantum computations. Among the different physical platforms investigated for realizing qubits, photonic implementations are particularly attractive due to their low decoherence, the ability to operate at room temperature and their readily manipulation using optical components. Additionally, for photons different degrees of freedom can be exploited for encoding qubits, such as polarization, time, path and frequency, many of which are compatible with existing telecommunication infrastructures. In particular, frequency-bin encoding, where qubit states are represented by photons occupying discrete frequency modes, offer stability against environmental perturbations, enable access to high-dimensional quantum states and allows parallel single-qubit operations within a single spatial mode. To transition from laboratory demonstrations to large-scale deployment, quantum hardware must be scalable, compact and cost-effective. These requirements are ideally well satisfied by Silicon Photonic Integrated Circuits (Si-PICs), which are compatible with the Complementary Metal-Oxide-Semiconductor fabrication ecosystem and based on a low-cost and abundant material with very good linear and nonlinear optical properties at telecommunication wavelengths. In addition, the high refractive index contrast in silicon-on-insulator platforms allows for strong optical confinement and micrometer-scale components, enabling high-density integration. The objective of this thesis-work is the experimental demonstration in the classical regime of a frequency beam-splitter (FBS), the spectral analogue of the Hadamard gate, which is a key component of the universal quantum gate set. While previous demonstrations have implemented this operation using bulk fiber-based components, the novelty of this work lies in the full monolithic integration of the entire architecture onto a 9 \times 4\text{mm}^2 silicon chip fabricated by STMicroelectronics. The resulting circuit is a Quantum Frequency Processor (QFP) including two carrier depletion modulators acting as fast phase shifters and a four-channel, line-by-line pulse shaper, realized by cascading four pairs of add-drop microring resonators with a phase shifter in between them. By applying a specific phase step between two selected frequency bins, designated as the target modes of the transformation, carefully controlling the modulation index and the relative phase between modulators, we successfully realize a 50:50 frequency splitting operation. The first part of the work is focused on the characterization of each component, in order to find the optimal working conditions and calibration for the final experiment, while the second part consists in the actual realization of the FBS operation. The experimental results, though performed with classical light as a preparatory step for quantum sources, demonstrate a significant outcome in performance. The experiment achieved a success probability, which quantifies the fraction of light intensity remaining in the two target modes with respect to the total spectral intensity, of 95.4% and a fidelity relative to the target operation of 99.4%, values comparable to those obtained in bulk-fiber setups. These results confirm that the transition to an integrated silicon platform does not compromise the quality of the unitary transformation, demonstrating the feasibility of implementing complex frequency-domain operations and providing a robust foundation for future quantum information processing systems.
Le tecnologie quantistiche sono oggi una realtà concreta, capace di superare i limiti dei dispositivi classici nel calcolo, nella comunicazione e nella sensoristica. Al cuore di questa rivoluzione vi è il qubit: la capacità di manipolarlo tramite porte quantistiche è fondamentale per computazioni quantistiche arbitrarie. Tra le diverse piattaforme fisiche studiate per realizzare i qubit, le implementazioni fotoniche sono particolarmente interessanti per la loro bassa decoerenza, la capacità di operare a temperatura ambiente e la facilità di manipolazione tramite componenti ottici. Inoltre, per i fotoni possono essere sfruttati diversi gradi di libertà per codificare i qubit, come polarizzazione, tempo, cammino e frequenza, molti dei quali compatibili con le attuali infrastrutture di telecomunicazione. In particolare, la codifica in bin di frequenza, dove i qubit sono rappresentati da fotoni che occupano modi di frequenza discreti, offre stabilità contro le perturbazioni ambientali, permette l'accesso a stati quantistici ad alta dimensione e consente operazioni parallele su singolo qubit all'interno di un unico modo spaziale. Per passare dalle dimostrazioni di laboratorio a una diffusione su larga scala, l'hardware quantistico deve essere scalabile, compatto ed economico. Questi requisiti sono idealmente soddisfatti dai circuiti integrati fotonici in silicio (Si-PIC), che sono compatibili con l'ecosistema di fabbricazione CMOS e basati su un materiale abbondante e a basso costo, con ottime proprietà ottiche lineari e non lineari alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. Inoltre, l'elevato contrasto di indice di rifrazione nelle piattaforme silicon-on-insulator permette un forte confinamento ottico e l'utilizzo di componenti su scala micrometrica, consentendo un'integrazione ad alta densità. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è la dimostrazione sperimentale in regime classico di un frequency beam splitter (FBS), l'analogo spettrale della porta di Hadamard, che rappresenta un componente chiave del set di porte quantistiche universali. Mentre le dimostrazioni precedenti hanno implementato questa operazione utilizzando componenti in fibra, la novità di questo lavoro risiede nella completa integrazione monolitica dell'intera architettura su un chip di silicio di 9 x 4 mm² prodotto da STMicroelectronics. Il circuito risultante è un Quantum Frequency Processor (QFP) che include due modulatori a svuotamento di portatori che agiscono come sfasatori veloci e un pulse shaper a quattro canali, realizzato collegando in cascata quattro coppie di risonatori ad anello con uno sfasatore tra di essi. Applicando uno specifica fase tra due bin di frequenza selezionati, designati come modi target della trasformazione, e controllando accuratamente l'indice di modulazione e la fase relativa tra i modulatori, abbiamo realizzato con successo un'operazione di splitting di frequenza 50:50. La prima parte del lavoro è focalizzata sulla caratterizzazione di ogni componente, per trovare le condizioni operative ottimali e la calibrazione per l'esperimento finale, mentre la seconda parte consiste nella realizzazione effettiva dell'operazione FBS. I risultati sperimentali, sebbene ottenuti con luce classica come fase preparatoria per l'uso di sorgenti quantistiche, dimostrano un esito significativo in termini di prestazioni, raggiungendo una probabilità di successo, che quantifica la frazione di intensità luminosa rimasta nei due modi target rispetto all'intensità spettrale totale, del 95,4% e una fedeltà relativa all'operazione target del 99,4%, valori paragonabili a quelli ottenuti in configurazioni in fibra. Questi risultati confermano che il passaggio alla piattaforma integrata non compromette la qualità della trasformazione unitaria dimostrando la fattibilità dell'implementazione di operazioni complesse nel dominio della frequenza e fornendo una base robusta per futuri sistemi di elaborazione dell'informazione quantistica.
Realizzazione di un beam splitter in frequenza per l’elaborazione di informazione in bin di frequenza mediante fotonica al silicio
ROVETTA, ELENA
2024/2025
Abstract
Quantum technologies are now a concrete reality, capable of overcoming the limitations of classical devices in computing, communication and sensing. At the heart of this revolution lies the qubit: the ability to manipulate it through quantum gates is essential for implementing arbitrary quantum computations. Among the different physical platforms investigated for realizing qubits, photonic implementations are particularly attractive due to their low decoherence, the ability to operate at room temperature and their readily manipulation using optical components. Additionally, for photons different degrees of freedom can be exploited for encoding qubits, such as polarization, time, path and frequency, many of which are compatible with existing telecommunication infrastructures. In particular, frequency-bin encoding, where qubit states are represented by photons occupying discrete frequency modes, offer stability against environmental perturbations, enable access to high-dimensional quantum states and allows parallel single-qubit operations within a single spatial mode. To transition from laboratory demonstrations to large-scale deployment, quantum hardware must be scalable, compact and cost-effective. These requirements are ideally well satisfied by Silicon Photonic Integrated Circuits (Si-PICs), which are compatible with the Complementary Metal-Oxide-Semiconductor fabrication ecosystem and based on a low-cost and abundant material with very good linear and nonlinear optical properties at telecommunication wavelengths. In addition, the high refractive index contrast in silicon-on-insulator platforms allows for strong optical confinement and micrometer-scale components, enabling high-density integration. The objective of this thesis-work is the experimental demonstration in the classical regime of a frequency beam-splitter (FBS), the spectral analogue of the Hadamard gate, which is a key component of the universal quantum gate set. While previous demonstrations have implemented this operation using bulk fiber-based components, the novelty of this work lies in the full monolithic integration of the entire architecture onto a 9 \times 4\text{mm}^2 silicon chip fabricated by STMicroelectronics. The resulting circuit is a Quantum Frequency Processor (QFP) including two carrier depletion modulators acting as fast phase shifters and a four-channel, line-by-line pulse shaper, realized by cascading four pairs of add-drop microring resonators with a phase shifter in between them. By applying a specific phase step between two selected frequency bins, designated as the target modes of the transformation, carefully controlling the modulation index and the relative phase between modulators, we successfully realize a 50:50 frequency splitting operation. The first part of the work is focused on the characterization of each component, in order to find the optimal working conditions and calibration for the final experiment, while the second part consists in the actual realization of the FBS operation. The experimental results, though performed with classical light as a preparatory step for quantum sources, demonstrate a significant outcome in performance. The experiment achieved a success probability, which quantifies the fraction of light intensity remaining in the two target modes with respect to the total spectral intensity, of 95.4% and a fidelity relative to the target operation of 99.4%, values comparable to those obtained in bulk-fiber setups. These results confirm that the transition to an integrated silicon platform does not compromise the quality of the unitary transformation, demonstrating the feasibility of implementing complex frequency-domain operations and providing a robust foundation for future quantum information processing systems.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/34021