1 Trieste - 11/07/2013 SQUOP Silicon photomultipliers for QUantum OPtics Sviluppo di detector con photon resolving capability in un regime da pochi fotoni.

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1 1 Trieste - 11/07/2013 SQUOP Silicon photomultipliers for QUantum OPtics Sviluppo di detector con photon resolving capability in un regime da pochi fotoni a qualche centinaio di fotoni (regime mesoscopico) Scopo → preparazione e caratterizzazione di stati fotonici non classici per applicazioni in quantum optics, dalla generazione di sorgenti di fotoni entangled al quantum computing Sezioni partecipanti → Trieste (responsabile nazionale Erik Vallazza), MiB Al gruppo di MiB parteciperanno esperti di quantum optics che verranno associati dopo l'eventuale approvazione del progetto da parte della CNS5 → catena per studio da quantum optics disponibile presso Insubria - Como Laser → Nd:YLF (IC-500ps, High-Q Laser) con impulsi di 1047, 523 e 349 nm con durata di 7.7, 5.4 e 4.4 ps, rate di 510Hz, peak power in UV di circa 80MW BBO crystals per non linear optics Reference detectors (CCD, HPD, SPAD, PMT) Valore ~ 300 keuro

2 2 Trieste - 11/07/2013 Possibilità di usare campi ottici in protocolli applicativi ↔ capacità di generare e manipolare stati ottici robusti rispetto alle perdite → stati con un nr sufficiente di fotoni Bisogna misurarli e caratterizzarli → usare la Optical Homodyne Tomography (OHT) caratterizzare lo stato conoscendo la statistica fare una rivelazione diretta → caratterizzare lo stato conoscendo la statistica The physics case Scegliere un rivelatore adeguato Sviluppare una strategia di calibrazione e un metodo di ricostruzione indipendente dalla conoscenza a priori dello stato Determinazione shot by shot del nr di fotoni L'esistenza delle correlazioni è stata dimostrata a intensità macroscopiche (fotodiodi pin), nel regime di bassa intensità (CCD, array di nanowire detector) Nel dominio mesoscopico → da investigare: test già effettuati che hanno dimostrato i limiti dei diversi sistemi di rivelazione

3 3 Trieste - 11/07/2013 Photo Detection Efficiency Dark count rate Tempo morto Temperatura operativa Risoluzione di singolo fotone Crosstalk PDE >30% (>50% per alcune delle applicazioni) overall Dark rate <10 -3 del valor medio dello stato rivelato (→ temperatura operativa) Crosstalk < 10% Le richieste Gli elementi I rivelatori di luce HPD → partial photon counting capability lineare fino a 100 fotoni Limite → bassa efficienza (PDE~50% ma overall ~15% probabilmente dovuta alla sovrapposizione dei picchi di fotoni) HPD SiPM → PDE>50% con grande separazione tra i picchi Dark count rate e crosstalk (assente in HPD) No limite a 100 fotoni

4 4 Trieste - 11/07/2013 Perché SiPM e i trascorsi d = dark noise in Hz Δt = minimo intervallo di rivelazione η = efficienza del detector Mette in relazione l'efficienza del detector e il suo dark noise Efficiency factor Equivalent number of channels N = nr di canali Figura di merito per descrivere il resolving power del detector Photon-number resolving detectors, O. Haderka et al., SPIE (2010)

5 5 Trieste - 11/07/2013 La sequenza di misure Misure su stati di luce classici Statistica del numero di fotoni: misure su stati di luce noti con campi impulsati di 523nm, 5.4ps di durata e 500-5000Hz di rate; Stati coerenti (Poisson distribution) Single mode thermal state (luce coerente attraverso un diffusore e selezione di una singola speckle attraverso un pin-hole) Multi mode thermal state (selezionando più di una speckle) Displaced phase-averaged coherent state (mescolando due campi coerenti con un beam splitter e variando la fase tra loro con un movimento piezoelettrico) Correlazioni: misura delle correlazioni del numero di fotoni per ogni shot del laser P = rotating diffuser plate PH = pinhole F = variable neutral density filter HWP = half wave plate PBS = polarizing beam splitter L = lenti MF = multimode optical fibers D 1 e D 2 = photodetector

6 6 Trieste - 11/07/2013 Misure su stati di luce quantistici Misura delle proprietà quantistiche della luce in single beam states (squeezing) e nella correlazione di bipartite states (entanglement in twin beams) Si usa la 4a armonica del laser e un cristallo non lineare per produrre fasci gemelli correlati in frequenza, direzione e numero di fotoni Se si producono stati squeezed con un nr pari di fotoni → PDE ≠ 1 può introdurre nr dispari → con l'HPD non si è dimostrata la non classicità La geometria produce 2 twin beam (signal e idler) correlati nel nr di fotoni al di sotto dello shot noise → da misurare Generazione di conditional state → tool fondamentale per i protocolli di quantum information → seleziono il valore del signal secondo quanto rivelato su idler BBO = cristalli non lineari F = cut-off filter HS = harmonic separator PH = pin-hole L = lenti MF = multimode optical fibers D = photodetector SGI = synchronous gated integrator

7 7 Trieste - 11/07/2013 Attività Trieste FASE 1: Caratterizzazione come photon resolving detector di prototipi FBK in tecnologia RGB-HD (diverso nr di celle e diverse dimensioni) Definizione delle caratteristiche meccaniche: temperatura, interfaccia meccanica tra fibra e detector Catena di acquisizione con digitizer CAEN (DT5751 con 2 GHz di banda) e amplificatore 3.5 GHz sviluppato da TWICE FASE 2: Modifiche dei layout dei SiPM o della tecnologia di produzione Realizzazione di un sistema compatto e portatile

8 8 Trieste - 11/07/2013 Attività Mi-B FASE 1: Realizzazione del sistema di interfacciamento tra SiPM (a basse temperature) e fibre Minimizzazione delle perdite per ottenere alta efficienza complessiva FASE 2: Misure con stati di luce classici e quantistici

9 9 Trieste - 11/07/2013 Trieste 70% Erik Vallazza (I Tecn., responsabile nazionale e locale) → 70% 30% Gianrossano Giannini (PO) → 30% 10% Valter Bonvicini (I Ric.) → 10% Totale Ts: 3 ricercatori, 1.1 FTE Gruppo di ricerca Milano-Bicocca 70% Alessia Allevi (Ric. CNR) → 70% 50% Greta Bassani (Dott.) → 50% 50% Alessandro Berra (Ass. Ric. ) → 50% 70% Maria Bondani (Ric. CNR) → 70% 70% Marco Lamperti (Ric. CNR) → 70% 50% Michela Prest (RU, resp. locale) → 50% Totale Mi-B: 6 ricercatori, 3.6 FTE

10 10 Trieste - 11/07/2013 Richieste finanziarie MISSIONI Viaggi a Trento e Como → 5 k€CONSUMO Acquisto SiPM e sviluppo schede di elettronica accessorie → 3 k€INVENTARIO Digitizer CAEN DT5751 → 8 k€ TOTALE TS TOTALE TS → 16 k€ Trieste Richieste finanziarie MISSIONI Meeting a Trieste e Trento → 3k€CONSUMO Sviluppo del sistema meccanico di interfaccia fibre/SiPM con SiPM a bassa temperatura → 5 k€ Elettronica di lettura (schede dedicate) → 4 k€ TOTALE MI-B TOTALE MI-B → 12 k€ Milano Bicocca Richieste totali 2014: 28 k€ Piano finanziario globale di spesa AnnomissioniconsumoinventarioTotale 20148.0012.008.0028.00 20154.006.00 10.00 Totali12.0018.008.0038.00