Integrated Photonics for Quantum Optics

• Quantum physics allows us a vision of Nature's forces that bind the world, all its seeds and sources. After decades of primarily scientific research, we've arrived at a stage in time where quantum technology can be applied to practical problems and add value outside the field. Four pillars of quantum technologies are commonly identified: quantum computing, quantum simulation, quantum communication, and quantum sensing. For example, quantum computers will allow us to model quantum systems beyond our current capabilities, and quantum communication allows us to protect information unconditionally based on physics. Quantum sensing will enable us to measure our reality beyond classical limits.Within all of these areas, optical photons play a unique role. In quantum computer implementations (e.g. photonic, trapped ion, or superconducting) photons can serve as a computational resource, for system read-out, or for linking distant hardware nodes. Quantum communication can only be realized via photons, utilizing the low-loss propagation of photons in optical fibers, on photonic devices as well as in free space. In quantum sensing and metrology, squeezed light can be used to go beyond the current limits of sensing methods. Therefore, the quantum technology field crucially relies on precise and efficient methods to generate, steer, manipulate and detect photons.This dissertation discusses work in integrated photonic circuits, self-assembled semiconductor quantum dot devices, and superconducting nanowire single--photon detectors.We integrate multiple materials on a silicon nitride platform, including Cu2O as a platform for solid-state Rydberg physics, WS2 to improve non-linear light-generation within Si3N4, and hBN as an excellent single-photon emitter.We demonstrate optically active quantum dots as single-photon emitters in the telecom C-band and their compatibility with commercial telecom equipment.We strain-control the fine-structure splitting of these devices, which is required for future quantum interference-based protocols.Finally, we study superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPD) and combine them with photonic micro-electromechanical systems (MEMS), establishing a cryo-compatible, reconfigurable photonic platform.

• Kvantfysiken ger oss en möjlighet att skåda naturens krafter som binder världen, alla dess frön och källor. Efter decennier av främst vetenskaplig forskning har vi nått det stadie i tiden där kvantteknologi kan tillämpas på praktiska problem och tillföra värde utanför akademin. Vanligtvis identifieras fyra pelare av kvantteknologier: kvantberäkning, kvantsimulering, kvantkommunikation och kvantsensorer. Till exempel kommer kvantdatorer att tillåta oss att modellera kvantsystem utöver våra nuvarande möjligheter, och kvantkommunikation tillåter oss att skydda information villkorslöst baserat på fysikens lagar samtidigt som kvantavkänning kommer att göra det möjligt för oss att mäta vår verklighet bortom klassiska gränser. Inom alla dessa områden spelar optiska fotoner en unik roll. I kvantdatorimplementationer (t.ex. fotoniska, fångade joner eller supraledande) kan fotoner fungera som en beräkningsresurs, för systemavläsning eller för att länka avlägsna hårdvaru-noder. Kvantkommunikation kan endast förverkligas via fotoner, på grund av den låga förlusten av fotoner i optiska fibrer, på fotoniska enheter såväl som i fri luft. Inom kvantavkänning och metrologi kan klämt ljus användas för att överskrida de nuvarande gränserna för avkänningsmetoder. Därför förlitar sig kvantteknikområdet på exakta och effektiva metoder för att generera, styra, manipulera och detektera fotoner.Den här avhandlingen diskuterar arbete i integrerade fotoniska kretsar, självmonterade halvledarkvantpricksenheter och supraledande nanotrådsdetektorer för enstaka fotoner.Vi integrerar flera material på en kiselnitridplattform, inklusive Cu2O som en plattform för rydbergs fysik i fast tillstånd, WS2 för att förbättra icke-linjär ljusgenerering inom Si3N4 och hBN som utmärkt singelfoton-sändare. Vi demonstrerar optiskt aktiva kvantprickar som enstaka foton sändare i telekom C-bandet och deras kompatibilitet med kommersiell telekomutrustning. Vi kontrollerar finstruktursdelningen av dessa enheter med hjälp av töjning, vilket krävs för framtida kvantinterferensbaserade protokoll.Slutligen studerar vi supraledande nanotrådsdetektorer för enstaka fotoner och kombinerar dem med fotoniska mikroelektromekaniska system, vilket skapar en kryokompatibel, konfigurerbar fotonisk plattform.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Den kondenserade materiens fysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Condensed Matter Physics (hsv//eng)

Nyckelord

integrated photonics

single-photons

single-photon sources

quantum dots

single-photon detectors

SNSPD

integrerad fotonik

enstaka fotoner

enstaka fotonkällor

kvantprickar

enstaka fotondetektorer

SNSPDs

Optics and Photonics

Optik och fotonik

Physics

Fysik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)