We investigate the resonant characteristics of superconducting meandering nanowires to design a nonlinear kinetic inductance traveling-wave parametric amplifier. The devices are patterned out of 15 nm thick NbTiN films. They consist of a coplanar waveguide, that shrinks into 100 nm wide meandering nanowires. For a total kinetic inductance of ∼1 μH, our simulations show that these structures behave as resonators with fundamental mode frequency around 1 GHz and a phase velocity of the signal as low as c/1000. The resonance peaks correspond to the presence of current antinodes within the meandering structure. Samples were fabricated at the Albanova Nanolab facility and measured in a sample-in-vacuum dipstick at 300 mK. Frequency sweeps in the 0.1-10 GHz range confirm the presence of these resonance peaks. In addition, we investigate the current nonlinearity of our devices. Analysis of the temperature dependence of the resonant peaks revealed the critical temperature of the film, TC = 14.0 ± 0.5 K. The dispersion relations showed that the device impedance exceeds the resistance quantum RQ = 6.5 kΩ when close to resonance or below 87 MHz. A second design was realized in order to reduce the device’s characteristic impedance to ≈ 50 Ω. This design, accomodating a micro stripline, embedded a significantly longer nanowire, with a total kinetic inductance ∼10 μH. Measurements showed a dramatically reduced impedance to ≈ 700 Ω, but still not matched to 50 Ω, giving rise to a dense frequency comb of standing modes in the 0-3 GHz bandwidth, with a constant spacing of ≈ 45 MHz. / Vi undersöker egenskaperna hos supraledande slingrande nanotrådar i syfte att designa en ickelinjär kinetisk induktans parametrisk förstärkare. Våra prov är mönstrade ur 15 nm tjocka NbTiN-filmer. De består av en koplanär vågledare som krymper till 100 nm breda slingrande nanotrådar. Med en sammanlagd kinetisk induktans på ∼1 μH visar våra simuleringar att dessa strukturer beter sig som resonatorer med en funda- mental modfrekvens runt 1 GHz och en fashastighet för signalen så låg som c/1000. Resonanserna motsvarar närvaron av strömantinoder inom den slingrande strukturen. Proverna tillverkades i Albanovas Nanolab och mättes i en prov-i-vakuum-sticka runt 300 mK. Frekvenssvepen i området 0,1-10 GHz bekräftar förekomsten av dessa res- onanser. Dessutom undersökte vi den strömberoende ickelinjäriteten i våra enheter. Analys av resonansernas temperaturberoende ger ett värde på filmens kritiska temper- atur, TC = 14.0 ± 0.5 K. Dispersionsförhållandena visade att provens impedans över- stiger resistanskvantumet RQ = 6, 5 kΩ nära resonanserna. En andra design realiserades för att reducera provens karakteristiska impedans till ≈ 50 Ω. Denna design, med en mikrostripline, har en betydligt längre totaltsträcka med en sammanlagd kinetisk induk- tans på ∼10 μH. Mätningarna visade en dramatiskt reducerad impedans på ≈ 700 Ω, men inte till det matchade värdet på 50 Ω, vilket gav upphov till en tät frekvenskam inom bandbredden 0- 3 GHz, med ett avstånd på ≈ 45 MHz mellan resonanserna.

In this project, the fabrication of single-photon detectors based on superconducting nanowires is presented, with great focus on extending their operation range to the mid infrared. In particular, Niobium Titanium Nitride (NbTiN) and Molybdenum Silicide (MoSi), superconducting materials with different properties, are presented, studied and used as fabrication platforms. Different approaches are followed, mainly adjusting the nanowire width and thickness to achieve near unity quantum efficiency at mid infrared wavelengths. With the vision of using these devices for atmospheric LIDAR and sensing experiments, saturation at 2050 nm is studied that corresponds to the absorption peak of CO2. For the best device made on NbTiN thin films, unity quantum efficiency is shown at 2050 nm with a time jitter of 116 ps at 1550 nm. Simulations using the transfer matrix method and the commercial software Lumerical are carried out, concluding that the devices made in NbTiN could have 23.1-26.7% system detection efficiency at 2050 nm on a Silicon SiO2/Si platform. Further improvements show that the detection efficiency could reach between 52-62% (for 0.33 and 0.5 fill factor, respectively calculated with FDTD simulations) by engineering optical cavities. / I detta projekt presenteras en fabrikations process för enstaka foton detektorer baserade på supraledande nanotrådar. Fokuset har legat på att utöka våglängds regionen där detektorernas kan detektera till mid-infrarött ljus. Två specifika supraledande material, Niobium Titan (NbTiN) och Molybdenum Silicide (MoSi), med olika egenskaper har studerats och använts som material. Dimensionerna på nanotrådarna, framför allt tjockleken och bredden, har optimerats för att uppnå nära enhetlig kvant-effektivitet vid mid-infraröda våglängder. Med visionen att detektorerna ska användas för atmosfäriska LiDAR mätningar har de studerats för satruering vid 2050 nm som motsvarar ett absorbtions maximum för CO2. Detektorerna tillverkade med NbTinN uppnådde 100% kvant effektivitet för 2050 nm ljus med ett tids jitter på 116 ps vid 1550 nm ljus. Simuleringar med överförings matrisen metoden och den kommersiella mjukvaran Lumerical visar att NbTiN detektorer placerade på en SiO2/Si platform kan ha en 23.1-26.7% effektivitet vid 2050 nm. Ytterligare simuleringas visar att effektiviteten kan nå upp till 52-62% (för 0.33 och 0.5 fyllnadsfaktor, respektive beräknad med FDTD) genom att inkludera optiska kaviteter.

Integrated quantum photonic circuits have gained increasing interest in the field of quantum information, due to their compactness, the intrinsic stability and the potential scalability. Photons are the promising candidate for quantum information processing. Among all the optical platforms, femtosecond-laser waveguide writing technique has shown the extraordinary versatility in producing different components of a complete quantum system. In the last decade, femtosecond-laser writing has greatly expanded its applications in quantum technology. The aim of this thesis is to study and optimize the fundamental optical devices for integrated quantum circuits using femtosecond-laser waveguide writing technique. We investigate relevant theory of optical waveguides, the methods to fabricate and characterize laser-written waveguides in glass. In this work, we demonstrate the femtosecond-laser writing of integrated devices including Mach-Zehnder interferometer and path-encoded CNOT quantum gate. These devices can further serve as building blocks to produce complete integrated quantum system. / Integrerade kvantfotoniska kretsar har fått ett ökande intresse inom området kvantinformation, på grund av deras kompakthet, den inneboende stabiliteten och den potentiella skalbarheten. Fotoner är den lovande kandidaten för bearbetning av kvantinformation. Bland alla optiska plattformar har femtosekund-laservågledarskrivteknik visat den extraordinära mångsidigheten i att producera olika komponenter i ett komplett kvantsystem. Under det senaste decenniet har femtosekundlaserskrivning kraftigt utökat sina tillämpningar inom kvantteknologi. Syftet med denna avhandling är att studera och optimera de grundläggande optiska enheterna för integrerade kvantkretsar med hjälp av femtosekund-laservågledarskrivteknik. Vi undersöker relevant teori om optiska vågledare, metoderna för att tillverka och karakterisera laserskrivna vågledare i glas. I detta arbete demonstrerar vi femtosekundlaserskrivning av integrerade enheter inklusive Mach-Zehnder-interferometer och vägkodad CNOT-kvantgrind. Dessa enheter kan vidare fungera som byggstenar för att producera kompletta integrerade kvantsystem.

Anderson localization occurs when an otherwise conductive solid becomes insulatingdue to a sufficiently large degree of disorder in the medium. The electron band energy(as a function of disorder) at which this transition between extended and localizedelectron states occur is called the mobility edge (ME) and is energy-dependent only in3-dimensional systems. In lower dimensional systems, energy-independent ME (allstates localized or all extended) has been demonstrated by replacing disorder withquasi-periodic potential. However, recent theoretical findings indicate that neitherdisorder nor quasi-periodic potential is necessary for a material to exhibit electronlocalization and existence of energy-dependent pseudo ME at finite system size.In this thesis work, we use light in coupled silicon nitride waveguides to simulatesingle-particle transport of a solid-state medium and investigate the coexistence ofdelocalized and localized states in disorder-free photonic lattices of finite systemsize. This was achieved by implementing a simulated linearly increasing electricpotential on even-numbered sites by varying the refractive index of the wave guide(ch. 3). Through our experimental setup, we successfully achieved a coexistence oflocalized and delocalized states, where the degree of localization varies depending onthe strength of the applied electric field.The findings have implications for the field of quantum technology, whereunderstanding and controlling quantum states is crucial. The ability to achievelocalization in the absence of disorder opens new possibilities for designing andengineering photonic devices for quantum information processing tasks. / Anderson-lokalisering uppstår när ett annars ledande fast material blir isolerande pågrund av en tillräckligt stor grad av oordning i mediet. Elektronbandsenergin (som enfunktion av oordning) vid vilken denna övergång mellan förlängda och lokaliseradeelektrontillstånd sker kallas mobilitetskanten (ME) och är energiberoende endasti 3-dimensionella system. I lägre dimensionella system har energioberoende ME(alla tillstånd lokaliserade eller alla förlängda) påvisats genom att ersätta oordningmed kvasi-periodisk spänning. Nya teoretiska fynd indikerar dock att varkenoordning eller kvasi-periodisk spänning är nödvändig för att ett material ska uppvisaelektronlokalisering och förekomsten av energiberoende pseudo-ME för system avfinita storlekar.I detta examensarbete använder vi ljus i kopplade vågledare av kiselnitrid föratt simulera transport av en partikel i ett fast tillståndsmedium och undersökersamexistensen av icke-lokaliserade och lokaliserade tillstånd i finita system utanoordning med fotoniska gitter. Detta uppnåddes genom att implementera ensimulerad linjärt ökande elektrisk potential på varje jämnt numrerat gitterläge platsgenom att öka vågledarbredderna och noll elektrisk spänning på varje udda. Genomvårt experimentella upplägg lyckades vi uppnå lokaliserade och förlängda tillstånd, därgraden av lokaliseringen varierade beroende på styrkan av det tillämpade elektriskafältet.Fynden har implikationer för kvantteknologi, där förståelse och kontroll avkvanttillstånd är avgörande. Förmågan att uppnå lokalisering i frånvaro avoordning öppnar nya möjligheter för att designa och konstruera fotoniska enheter förkvantinformationsprocesser.

This research study aims to investigate the capacity of single photons to carry information through polarization and time ordering and proposes a protocol called Beyond Pulse Position Modulation (BPPM) to improve photon-based communication reliability over longer distances with limited power. Such a protocol may be used in any communication scenario where energy efficiency is important, e.g., in satellite communication or where pulse position modulation (PPM) typically is used. The study compares various metrics such as information bits per symbol, photon, and time bin to evaluate the system’s efficiency and conducts a comparative analysis of BPPM, Pulse Position Modulation (PPM), On-Off Keying (OOK), andGeneral protocol’s effectiveness. (The simulations were conducted using the Python programming language with Visual Studio Code IDE.) / Denna forskningsstudie syftar till att undersöka informationskapaciteten hos enstaka fotoner då dessa kodats med avseende på polarisering och tidsordning. Ett nytt protokoll som kallas Beyond Pulse Position Modulation (BPPM) använder felkorrigering för att förbättra kommunikationstillförlitligheten över längre avstånd med begränsad effekt. Ett sådant protokoll kan användas i vilket kommunikationsscenario som helst där energieffektivitet är viktigt, t.ex. vid satellitkommunikation eller där pulspositionsmodulering (PPM) vanligtvis används. Studien jämför olika mätvärden som informationsbitar per symbol, per foton och per tidslucka för att utvärdera systemets effektivitet och genomför en jämförande analys av BPPM, Pulse Position Modulation (PPM), On-Off Keying (OOK) och ett protokoll med fixt antal fotoner per block avseende protokollens effektivitet. (Simuleringarna utfördes med Python-programmeringsspråket med Visual Studio Code IDE.)