Integrated Devices for Quantum Information with Polarization Encoded Qubits

علوم اطلاعات کوانتومی با بهره‌برداری از فوتون‌های منفرد موفقیت تجربی زیادی پیدا کرده است. با این حال، تا به امروز، اکثر آزمایش‌های نوری کوانتومی از عناصر نوری در مقیاس بزرگ (انبوه) استفاده می‌کنند که روی یک میز نوری پیچ شده‌اند، رویکردی که در نهایت پیچیدگی و پایداری مدارهای کوانتومی مورد نیاز برای علم و فناوری کوانتومی را محدود می‌کند. تحقق طرح‌های نوری پیچیده شامل تعداد زیادی عنصر مستلزم معرفی فناوری موجبر برای دستیابی به مقیاس‌پذیری، پایداری و کوچک‌سازی دستگاه است. این پایان نامه در مورد یافته های شگفت انگیز در زمینه دستگاه های یکپارچه برای اطلاعات کوانتومی گزارش می دهد. در اینجا قطبش فوتون نشان داده شده است که درجه آزادی مناسبی را برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی در سیستم های یکپارچه ارائه می دهد. مهمترین نتایج مربوط به: تداخل کوانتومی فوتون های درهم تنیده قطبش در یک جفت کننده جهت دار روی تراشه. تحقق یک گیت Controlled-NOT (CNOT) که با کیوبیت های پلاریزاسیون کار می کند. تحقق راهپیمایی کوانتومی بوزون‌ها و فرمیون‌ها در یک شبکه نوری منظم و شبیه‌سازی کوانتومی محلی‌سازی اندرسون از بوزون‌ها و فرمیون‌ها شبیه‌سازی‌شده توسط پلاریزاسیون فوتون‌های درهم‌تنیده در یک راه رفتن کوانتومی نامنظم. یافته های ارائه شده در این پایان نامه نشان دهنده گام مهمی در جهت ادغام یک آزمایش کامل فوتونی کوانتومی در یک تراشه است.

Quantum information science has found great experimental success by exploiting single photons. To date, however, the majority of quantum optical experiments use large-scale (bulk) optical elements bolted down to an optical bench, an approach that ultimately limits the complexity and stability of the quantum circuits required for quantum science and technology. The realization of complex optical schemes involving large numbers of elements requires the introduction of waveguide technology to achieve the desired scalability, stability and miniaturization of the device. This thesis reports on surprising findings in the field of integrated devices for quantum information. Here the polarization of the photon is shown to offer a suitable degree of freedom for encoding quantum information in integrated systems. The most important results concern: the quantum interference of polarization entangled photons in an on-chip directional coupler; the realization of a Controlled-NOT (CNOT) gate operating with polarization qubits; the realization of a quantum walk of bosons and fermions in an ordered optical lattice and the quantum simulation of Anderson localization of bosons and fermions simulated by polarization entangled photons in a disordered quantum walk. The findings presented in this thesis represent an important step towards the integration of a complete quantum photonic experiment in a chip.