20–24 Jan 2025
CERN
Europe/Zurich timezone
There is a live webcast for this event.

Silicon Photonic Integrated Circuit for Linear Optics Quantum Computing

Not scheduled
20m
Pas Perdus and Mezzanine (CERN)

Pas Perdus and Mezzanine

CERN

Speaker

Thu Ha Dao (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy)

Description

The QUANTEP project focuses on developing and implementing a comprehensive silicon photonics integrated circuit for quantum computation using linear quantum optics and single photons. A key prototype under investigation is the universal two-qubit Controlled-NOT (C-NOT) gate, which employs a linear, coincidence basis gate requiring only single photons as inputs. This prototype serves as a foundational testbed for developing more advanced quantum circuits, which will eventually necessitate integrated on-chip single-photon sources and detectors.

The project employs a 220 nm Silicon-On-Insulator (SOI) CMOS process as the technology platform for silicon photonics integrated circuits. For the detection stage, the proposed solution is an integrated Bi$_2$Se$_3$/n-Si heterojunction. Bi$_2$Se$_3$ has been proven as a topological insulator with efficient IR absorption and Dirac–like metallic surface. The project also explores novel quantum-device concepts utilizing heterostructured semiconductor nanowires, graphene, and other 2D materials, emphasizing their potential for precise control over light-matter interactions.

The SOI structures have been designed, and all associated devices are currently undergoing implementation and testing.
The integrated linear optics quantum circuits shall undergo comprehensive characterization, with their logic and functionality evaluated in fully integrated implementations.

Email Address of submitter

tdao@roma2.infn.it

Short summary

The QUANTEP project develops silicon photonics integrated circuits for quantum computing, using a 220 nm SOI CMOS process. A key prototype, the two-qubit Controlled-NOT (C-NOT) gate, relies on single photons and serves as a testbed for advanced circuits requiring on-chip photon sources and detectors. The project explores Bi₂Se₃/n-Si heterojunctions for efficient IR detection and investigates novel quantum-device concepts using nanowires, graphene, and 2D materials to enhance light-matter interactions. Designed SOI structures are under testing, with integrated circuits set for characterization and logic validation.

Author

Thu Ha Dao (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy)

Co-authors

Alberto Stabile (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, 20133 Milano, Italy) Alessandra Toncelli (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy) Ali Emre Kaplan (Optoelectronics Research Center, University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, UK) Andrea Fontana (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, 27100 Pavia, Italy) Andrea Salamon (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy) Carlo Roncolato (Laboratori Nazionali di Legnaro, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 35020 Legnaro, Italy) Claudia Menozzi (Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche, Universit`a di Modena e Reggio Emilia, 41125 Modena, Italy) Cosimo Lacava (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, 27100 Pavia, Italy) Elena Nieto Hern´andez (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, 10125 Torino, Italy) Elena Pedreschi (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy) Fabio De Matteis (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy) Fabrizio Armani (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, 20133 Milano, Italy) Fabrizio Barbato (Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni, Politecnico di Torino, 10129 Torino, Italy) Fausto Sargeni (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy) Francesco Amanti (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy) Francesco Marzioni (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia, 06123 Perugia, Italy) Francesco Rossella (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, 27100 Pavia, Italy) Franco Spinella (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy) Gabriella Trucco (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, 20133 Milano, Italy) Gian Carlo Gazzadi (Istituto Nanoscienze-Centro S3, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Via Campi 213/A, 41125 Modena, Italy) Giovanni Di Giuseppe (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia, 06123 Perugia, Italy) Greta Andrini Jacopo Forneris (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, 10125 Torino, Italy) Jafar Shojaii (Space Technology and Industry Institute, Swinburne University of Technology, Hawthorn, VIC 3122, Australia) Leonardo Martini (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, 27100 Pavia, Italy) Luca Frontini (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, 20133 Milano, Italy) Matteo Campostrini (Laboratori Nazionali di Legnaro, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 35020 Legnaro, Italy) Matteo Salvato (Dipartimento di Fisica, Universit`a di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy) Paolo Piergentili (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia, 06123 Perugia, Italy) Paolo Prosposito (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy) Roberto Francini (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy) Roberto Gunnella (Scuola di Scienze e Tecnologie, Divisione di Fisica, Universit`a di Camerino, 62032 Camerino, Italy) Samuele Cornia (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, 27100 Pavia, Italy) Simone Camarata (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy) Simone Donati (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy) Simone Iadanza (Laboratory of Nano and Quantum Technologies, Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villi- gen, Switzerland) Sviatoslav Ditalia Tchernij (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino, 10125 Torino, Italy) Valentino Liberali (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano, 20133 Milano, Italy) Valentino Rigato (Laboratori Nazionali di Legnaro, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 35020 Legnaro, Italy) Valeria De Montis (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, 27100 Pavia, Italy) Valerio Vitali (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, 27100 Pavia, Italy) Vincenzo Bonaiuto (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy) Vittorio Bellani (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Pavia, Via Agostino Bassi 6, 27100 Pavia, Italy)

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