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L'informazione quantistica è una branca della scienza che abbraccia diversi campi, dalla fisica all'ingegneria passando per la matematica e l'informatica ed ha lo scopo di indagare i limiti della teoria quantistica e di come quest'ultima possa essere utilizzata per ingegnerizzare nuove tecnologie. In analogia alla controparte classica, all'informazione quantistica si è affiancata la computazione quantistica che ha lo scopo, da un lato di comprendere come studiare e simulare la teoria quantistica attraverso i computers, dall'altro di comprendere come la teoria quantistica possa essere utilizzata per migliorare le attuali tecnologie di computazione. In questo quadro si è già dimostrato teoricamente come un computer quantistico, sfruttando la sovrapposizione degli stati e l'entanglement, possa risolvere problemi attualmente troppo complessi per un computer classico come, ad esempio, la fattorizzazione in numeri primi di un numero.

Partendo dalle prime proposte formulate da Feynman e Benioff, numerosi sviluppi sono stati fatti per dimostrare la possibilità di costruire un computer quantistico e per cercare di ridurne gli ingombri. Nonostante ciò la costruzione di un computer quantistico universale su larga scala (che possa implementare un qualunque algoritmo quantistico) richiede ancora grossi sforzi tecnologici. Un primo passo è quello di raggiungere la supremazia quantistica, il regime in cui le tecnologie quantistiche di computazione risultano più prestanti di quelli classiche, attraverso macchine quantistiche non-universali di più semplice implementazione. Un esempio di macchina non-universale è il Boson Sampler (Campionatore bosonico), proposto da Aaronson e Arkipov nel 2011, che consente di campionare efficientemente una distribuzione di probabilità generata dall'interferenza quantistica di bosoni. Ci sono argomentazioni convincenti a supporto che tali distribuzioni di probabilità siano di difficile computazione classica, tuttavia un dispositivo composto da un interferometro lineare in cui si iniettano fotoni risulta essere un boson sampler a tutti gli effetti.

Per raggiungere la supremazia quantistica bisogna affrontare il problema della validazione, ovvero è necessario trovare dei metodi per verificare che i dispositivi quantistici in esame funzionino secondo le aspettative. Questo problema risulta essere di cruciale importanza: l'assenza di metodi per verificare la correttezza dei risultati inficia completamente qualunque supposto vantaggio dei computer quantistici rispetto a quelli classici. In questo contesto l'ottica quantistica risulta un campo particolarmente proficuo poiché le tecnologie atte a creare, manipolare e rilevare i fotoni risultano sufficientemente sviluppate e di relativa semplice realizzazione.

In questa tesi, svolta presso il Quantum Information Lab dell'Università Sapienza di Roma, si presentano tre esperimenti aventi l'obiettivo di presentare dei nuovi protocolli di caratterizzazione di tecnologie fotoniche da poter utilizzare in esperimenti di informazione quantistica ed in particolare nel Boson Sampling.

Nel primo capitolo sono introdotti i concetti fondamentali della teoria della computazione classica e quantistica. In particolare vengono introdotti il concetto di macchina di Turing e di classi di complessità computazionale per poi passare alle prime proposte di Feynman e Benioff inerenti la possibilità di creare computers quantistici e finire con i criteri di DiVincenzo che sono considerati i requisiti minime per creare un computer quantistico.

Nel secondo capitolo, dopo una breve introduzione della teoria quantistica del campo elettro-magnetico, si illustrano i metodi maggiormente utilizzati per codificare l'informazione nei fotoni e le principali tecnologie atte a generarli, manipolarli e rilevarli.

Nel terzo capitolo si introduce il problema del Boson Sampling nei suoi vari aspetti teorici e sperimentali con particolare riguardo ai metodi di validazione ed alle implementazioni sperimentali presenti in letteratura.

Nel quarto capitolo si presentano due esperimenti di caratterizzazione di una sorgente a molti fotoni. Il primo esperimento presenta una metodologia per poter quantificare efficientemente il grado di indistinguibilità di una sorgente a più fotoni. Il secondo esperimento utilizza la violazione di diseguaglianze "classiche" per verificare alcune proprietà quantistiche di un insieme di stati fotonici secondo una definizione presentata in un recente lavoro proposta da Galvão e Brod dell'università federale fluminense che collaborano con il gruppo della Sapienza.

Nel quinto ed ultimo capitolo si presenta ed applica un protocollo di caratterizzazione di un chip fotonico con diverse fasi riconfigurabili, oltre alla proposta di un esperimento in cui viene utilizzato tale dispositivo per verificare una tecnica di apprendimento automatico che ha lo scopo di misurare efficientemente la dinamica di un processo fisico quantistico.