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Integrated quantum photonics Fabio Sciarrino Dipartimento di Fisica, “Sapienza” Università di Roma http:\\quantumoptics.phys.uniroma1.it

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Integrated quantum photonics

Fabio Sciarrino

Dipartimento di Fisica, “Sapienza” Università di Roma

http:\\quantumoptics.phys.uniroma1.it

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“Information is physical” R. Landauer

The processing of information is governed by the laws of physics.

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“Information is physical” R. Landauer

The processing of information is governed by the laws of physics.

QUANTUMCOHERENCE

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Quantum Information

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Quantum informationPolarization encoding of qubit

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Large physical size Low stability Difficulty to move forward applications outside laboratory

Integrated photonics:Bulk optics limitations

Photonic quantum technologies: a promising experimental platform for quantum information processing

SETUP: COMPLEX OPTICAL INTERFEROMETERS

Possible solutions? Integrated waveguide technology

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Integrated quantum photonics

Preparation

Manipulation

Detection

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Integrated quantum photonics

Preparation

Manipulation

Detection

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In collaboration with Politecnico di Milano and Istituto di Fotonica e Nanotecnologie - CNR

L. SansoniF. SciarrinoP. Mataloni

A. CrespiR. RamponiR. Osellame

Integrated photonicquantum circuits

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Summary

I) Laser writing techniquesFirst step: beamsplitters

II) CNOT for polarization encoded qubitTalk by Linda Sansoni

III) Quantum walk

IV) Simulation of disordered systems

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A. Politi et al. Science 320, 646 (2008); J. C. F. Matthews et al. Nature Photonics 3, 346 (2009)A. Politi et al. Science 325, 1221 (2009).

Bidimensional capabilities;

Squared cross section;Necessity of masks;Long time fabrication.

2- and 4-photon quantum interference, C-not gate realization, path-entangled state of two photons

Shor's algorithm

Waveguides: Lithography

NOT SUITABLE FOR POLARIZATION ENCODED QUBIT

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Femtosecond pulse tightly focused in a glass

Combination of multiphoton absorption and avalanche ionization induces permanent and localized refractive index increase in transparent materials

Waveguides are fabricated in the bulk of the substrate by translation of the sample at constant velocity with respect to the laser beam, along the desired path.

What about polarization encoding?Laser writing technique for devices able to

transmit polarization qubits

Femtosecond laser writing

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Femtosecond laser writing

Circular waveguide transverse profile

Characteristics:

Propagation of circular gaussian modes

Rapid device prototyping:writing speed =4 cm/s

3-dimensional capabilities

SUITABLE TO SUPPORT ANY POLARIZATION STATE

Lowbirefringence

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Femtosecond laser writing

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Femtosecond laser writing

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Substrate of borosilicate glass(no birefringence observed)

d

L Femtosecond infrared laser: λ=1030nmPulses: 300fs, 1WRepetition rate 1 MHz

L: interaction region

Note: the coupling of the modes occurs also in the curved parts of

the two waveguides

Integrated beam splitter

L. Sansoni et al. Phys. Rev. Lett. 105, 200503 (2010)

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Tunability of the direction coupler transmission

Periodicity of the transmissiondepends from the

Effective indexof refraction

Optical power transfer follows a sinusoidal law with the interaction length.

Oscillation period (beating period) depends upon the coupling coefficient of the two guided modes.

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Directional coupler as beam splitter

Entangledstates

Identical separable

states

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M. Lobino & J.L. O'Brien News &Views Nature (2011)

Polarization entanglement on a chip

L. Sansoni et al. Phys. Rev. Lett. 105, 200503 (2010)

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Single particle: Quantum Walk

Differences between classical and quantum: interference

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Beamsplitter arrays

- 16 3D-beamsplitters with balanced reflectivities RH

= RV= 49% able

to support any polarization state

- Control path lengths up to few nanometers: all interferometers with phase difference betwen the two arms set equal to 0

- Stable operation of the BS arrays: length 32 mm, width about 1 mm

2 input modes

L. Sansoni, et al., Phys, Rev, Lett, 108, 010502 (2012)

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Single-particle quantum walk

We inject a single photon in the BS array

We observe the same quantum walkindependently of the polarization state

GOAL: to exploit the polarization degree of freedom in order to inject

different entangled states of two photons

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Quantum walk with two particles..

By changing the symmetry of entanglement we can simulate the quantum dynamics of the walks of two particles with

bosonic or fermionic statistic.

GOAL: to exploit the polarization degree of freedom in order to inject different entangled states of two photons

If two simultaneous quantum walkers travel their symmetry must influence the output probability distribution

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Two-particles quantum walk: experimental setup

Generation of two-photon entangled states with different symmetries

BS array on a chipEight output modes:

Measurement of coincidences

between modes i and j

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Two-particles quantum walk: results

Similarities between theory and experiment

S = 0.982 ± 0.002 S = 0.973 ± 0.002 S = 0.987 ± 0.002

L. Sansoni, et al., Phys, Rev, Lett, 108, 010502 (2012)

See also: continuous quantum walk by J. Mathews, et al., arXiv: 1106.1166

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Simulation of disordered systems

R. FazioV. Giovannetti

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Simulation of disordered systems

.... FIRST EXPERIMENTS....

To simulate different types of disorders:

POLARIZATION INDEPENDENT

Phase shifting by geometrical deformation

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Simulation of static disorder

time

Disorder depends:- from location- but NOT from time

Anderson localication....

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Simulation of disordered systems:Single particle quantum walk

Exp

erim

ent

Orderedsystem

Disorderedsystem

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Simulation of disordered systems:Single particle quantum walk

Exp

erim

ent

Orderedsystem

Disorderedsystem

Experimentally observed by Silnerhorn's group with fiber loops: Phys. Rev. Lett. 106, 180403 (2011).

Two-particle quantum walk with disordered systems:… experiments missing so far...

Theoretical investigation by Silberberg's groupY. Lahini, et al., Phys. Rev. Lett. 105, 163905 (2010).

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Ordered VS Static Quantum Walk:Experimental results

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Beamsplitter able to support polarization encoded qubit Polarization sensitive devices Integrated CNOT for polarization qubit (L. Sansoni) Quantum walk with two-particles in different entangled states: simulation of Anderson localization

NEXT STEPS: Circuits with 3-dimensional geometriesHybrid manipulation of path and polarization for quantum information processing and non-locality tests

Conclusions and perspectives

L. Sansoni et al. Phys. Rev. Lett. 105, 200503 (2010)

CNOT gate: A. Crespi, et al, Nature Comm. 2, 566 (2011) Quantum walk:

L. Sansoni, et al., Phys, Rev, Lett, 108, 010502 (2012)

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Enjoy life, enjoy quantum!

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OPEN POSITIONS !!