Dispositivi Ottici Integrati

La nuova strategia per superare i limiti derivanti dall'uso di dispositivi bulk in esperimenti di ottica quantistica consiste nello sfruttare la robustezza e la compattezza ottenibili con la tecnologia a guida d'onda integrata. I circuiti fotonici integrati hanno un forti potenzialità di permettere l'elaborazione dell'informazione quantistica. Infatti, la capacità di manipolare gli stati quantistici di radiazione su dispositivi integrati può aprire nuove prospettive sia per eseguire test fondamentali della meccanica quantistica che per le nuove applicazioni tecnologiche. Tuttavia, la tecnologia per la gestione di qubit codificati nel grado di libertà della polarizzazione, l'approccio più comunemente adottato fino ad ora, è ancora mancante nei circuiti quantistici ottici. La nostra ricerca è focalizzata alla realizzazione di dispositivi fotonici integrati in grado di supportare e manipolare i qubit codificati in polarizzazione [PRL105,NatComm2]. Questo obiettivo è stato raggiunto sfruttando la tecnica di scrittura mediante impulsi laser ultracorti: un laser a femtosecondi viene focalizzato su un substrato di vetro causando la formazione di plasma che induce modifiche permanenti dell'indice di rifrazione del vetro. Traslando il substrato rispetto al fascio, si vengano a formare delle strutture in grado di guidare la luce.

Momento angolare orbitale quantistico

In informazione quantistica si è soliti codificare l'informazione nello spazio bi-dimensionale delle polarizzazioni del singolo fotone (momento angolare "spinoriale") tramite le tecniche dell'ottica quantistica. Recentemente il momento angolare orbitale del fotone (OAM), associato al profilo trasverso, è stato riconosciuto come nuova risorsa in grado di consentire l'implementazione in un singolo fotone di uno spazio quantistico multi-dimensionale, noto come "qu-dit". Il nostro campo di ricerca è incentrato sullo studio di nuovi dispositivi ottici in grado di accoppiare le componenti spinoriali ed orbitali del momento angolare. Tali dispositivi consentono di manipolare efficientemente e deterministicamente il grado di libertà del momento angolare orbitale, utilizzando i vantaggi relativi sia alla polarizzazione che all'OAM.

Interferometria Quantistica

Il campo del sensing quantistico si pone come obiettivo estrarre la maggiore quantità possibile di informazione da un sistema introducendo il minor grado possibile di perturbazione. Nel caso dell'interferometria ottica, il parametro da stimare è una fase introdotta da un campione. È stato dimostrato recentemente che l'utilizzo di risorse quantistiche in questo processo di misura può migliorare la capacità di stimare un parametro al di sopra del regime classico. Questo approccio può avere molte applicazione nel campo del sensing minimamente invasivo, dove l'obiettivo è quello di estrarre il maggior quantitativo di informazione introducendo la minima perturbazione possibile. L'implementazione di questi approcci quantistici presenta però alcune limitazioni, dovute principalmente alla fragilità delle risorse necessarie in presenza di perdite e di decoerenza. Il nostro obiettivo è quello di studiare e realizzare protocolli per la stima di una fase che siano adatti per la loro applicazione in presenza di perdite [PRL105,arXiv:1107.3726].

Stati Hypentangled/Cluster a 2 fotoni

Gli stati cluster sono una classe particolare di stati entangled a multi qubit e rappresentano la risorsa fondamentale per un nuovo modello di computazione quantistica, detto modello one-way. In questo modello gli algoritmi sono realizzati attraverso una sequenza di misure a singolo qubit e operazioni di feed-forward.
Nel nostro laboratorio, partendo da uno stato hyperentangled , cioè uno stato a due fotoni con due (o più) gradi di libertà (come la polarizzazione e il momento lineare) entangled, abbiamo generato uno stato cluster a quattro qubit [PRL98]. Con tale stati abbiamo realizzato alcuni algoritmi di base implementati nel modello one-way [PRL100, PRA78].
Lo scopo del nostro progetto é quello di aumentare la dimensionalità degli stati quantistici generati, usando più gradi di libertà dei fotoni.

Entanglement Micro-Macro

Negli anni passati il processo di amplificazione parametrica è stato investigato al fine di stabilire l'entanglement tra un singolo fotone e uno stato a molti fotoni (circa 4000). Tale trasformazione stabilisce una stretta connessione tra i campi microscopico e macroscopico, e lo stato quantistico a molti fotoni apre interessanti prospettive sia per lo studio di test fondamentali di meccanica quantistica che per la realizzazione di protocolli di informazione quantistica. In abbiamo riportato la realizzazione di una sovrapposizione quantistica macroscopica di 5X10^4 fotoni ottenuta tramite amplificazione parametrica di uno stato entangled a singolo fotone. Questo processo è stato realizzato attraverso l'utilizzo di un cristallo non-lineare pompato da un fascio UV ad alta poten a e agente come amplificatore parametrico sul singolo fotone in esso iniettato. In virtù della proprietà information preserving dell'amplificatore parametrico ottico (OPA), lo stato in uscita dall'amplificatore si è dimostrato entangled con lo stato a singolo fotone sul modo non iniettato presentando le stesse caratteristiche di interferenza del qubit iniettato. Tale processo, chiamato quantum injected optical parametric amplification (QIOPA) è stato recentemente utilizzato per esplorare aspetti fondamentali della teoria dell'informazione moderna, come ad esempio il quantum cloning [PRA68, PRL92, PRL95, PRA76], il gate quantistico U-NOT [NAT419], e il test no-signaling [PRL99].

Entanglement a molti modi

La possibilità aumentare l'entanglement tra due fotoni rappresenta una importante risorsa nella fisica quantistica. Essa infatti premette di aumentare la potenza di molti protocolli di informazione quantistica, come il dense coding, e di incrementare la violazione delle disuguaglianze di Bell.
Abbiamo realizzato una sorgente di due fotoni entangled in molti cammini ottici. Più precisamente, ciascuno dei due fotoni può essere emesso, attraverso il fenomeno della emissione parametrica spontanea (SPDC), lungo una tra le quattro direzioni del cono SPDC. Nella figura é mostrato il dispositivo in grado di accoppiare la radiazione emessa per SPDC in 8 fibre a singolo modo [PRL102].