Implementation of a photonic chip for quantum communications

Abstract

Quantum-based technologies are one of the most promising technologies for the future. A considerable investment is being made in quantum computing, quantum communications and quantum sensing since these technologies exceed the performances of the traditional equivalent technologies. Integrated photonics, a technology previously utilized in telecommunication applications, rapidly grows into other fields like quantum technologies. This trend was influenced by improvements in fabrication techniques and the introduction of new materials to the market, which also created new opportunities for investigation. The advantages of integrated photonics include high integration on a small footprint, low power consumption, and the ability to manipulate light with simple components. As a result, it is an ideal technical solution for manipulating photon properties in quantum applications. However, it is still a young technology that needs further development to improve its reliability. The proposed thesis's work will explore the properties of Indium Phosphide as an integrated photonic material for quantum applications on a newly available foundry platform called IMOS. Our main goal is to build a photonic integrated circuit with components that can be used for quantum applications. We plan to design a system capable of generating single photons, filtering residual light from a pump laser, and forwarding the single photons into a particular physical output. The work will emphasize the design workflow for several integrated photonic components, their simulations, and mask designs, preparing them for chip fabrication. The obtained results should allow us to determine whether Indium Phosphate IMOS is a suitable platform for quantum applications.

Las tecnologías cuánticas son una de las tecnologías más prometedoras para el futuro. Se está realizando una inversión considerable en computación cuántica, comunicaciones cuánticas y detección cuántica, ya que estas tecnologías superan el rendimiento de las tecnologías tradicionales equivalentes. La fotónica integrada, una tecnología utilizada anteriormente en aplicaciones de telecomunicaciones, crece rápidamente hacia otros campos como las tecnologías cuánticas. Esta tendencia estuvo influenciada por las mejoras en las técnicas de fabricación y la introducción de nuevos materiales en el mercado, lo que también generó nuevas oportunidades de investigación. Las ventajas de la fotónica integrada incluyen una alta integración en un espacio reducido, un bajo consumo de energía y la capacidad de manipular la luz con componentes simples. Como resultado, es una solución técnica ideal para manipular las propiedades de los fotones en aplicaciones cuánticas. Sin embargo, todavía es una tecnología joven que necesita mayor desarrollo para mejorar su confiabilidad. El trabajo de tesis propuesto explorará las propiedades del fosfato de indio como material fotónico integrado para aplicaciones cuánticas, en una plataforma de fundición recientemente disponible llamada IMOS. Nuestro principal objetivo es construir un circuito integrado fotónico con componentes que puedan usarse para aplicaciones cuánticas. Planeamos diseñar un sistema capaz de generar fotones individuales, filtrar la luz residual de una bomba láser y enviar los fotones individuales a una salida particular. El trabajo enfatizará el flujo de trabajo de diseño para varios componentes fotónicos integrados, sus simulaciones y diseños de máscaras, preparándolos para la fabricación de chips. Los resultados obtenidos deberan permitirnos determinar si el fosfato de indio de IMOS es una plataforma adecuada para aplicaciones cuánticas.

As tecnoloxías cuánticas son unha das tecnoloxías máis prometedoras para o futuro. Estase a facer un investimento considerable en computación cuántica, comunicacións cuánticas e detección cuántica, xa que estas tecnoloxías superan as tecnoloxías tradicionais equivalentes. A fotónica integrada, unha tecnoloxía utilizada anteriormente en aplicacións de telecomunicacións, está a medrar rapidamente noutros campos como as tecnoloxías cuánticas. Nesta tendencia influíron as melloras nas técnicas de fabricación e a introdución de novos materiais no mercado, o que tamén xerou novas oportunidades de investigación. As vantaxes da fotónica integrada inclúen a alta integración nun espazo reducido, o baixo consumo de enerxía e a capacidade de manipular a luz con compoñentes sinxelos. Como resultado, é unha solución técnica ideal para manipular as propiedades dos fotóns en aplicacións cuánticas. Non obstante, aínda é unha tecnoloxía nova que necesita un maior desenvolvemento para mellorar a súa fiabilidade. O traballo de tese proposto explorará as propiedades do fosfato de indio como material fotónico integrado para aplicacións cuánticas, nunha plataforma de fundición recentemente dispoñible chamada IMOS. O noso obxectivo principal é construír un circuíto integrado fotónico con compoñentes que se poidan utilizar para aplicacións cuánticas. Planeamos deseñar un sistema capaz de xerar fotóns individuais, filtrar a luz residual dunha bomba láser e enviar os fotóns individuais a unha saída particular. O traballo fará fincapé no fluxo de traballo de deseño de varios compoñentes fotónicos integrados, as súas simulacións e deseños de máscaras, preparándoos para a fabricación de chips. Os resultados obtidos deberan permitirnos determinar se o fosfato de indio IMOS é unha plataforma adecuada para aplicacións cuánticas.