Towards efficient quantum repeater nodes based on solid-state quantum memories
Authors:   , Duranti Stefano 
Published: November 2024

(English) Quantum repeaters are the foundation of future long-distance quantum networks. In most architectures, their functional core is constituted by quantum memories, which are devices that can store and re-emit photonic quantum information on-demand. The goal of this thesis is to progress towards efficient quantum repeater nodes enabling quantum correlations between telecom photons and matter qubits. To these ends, we performed three main experiments.

In our first work, we built a solid-state entanglement photon source with embedded storage capabilities. This emissive quantum memory was implemented in a Pr3+:Y2SiO5 crystal, by means of the atomic frequency comb (AFC) protocol. Thanks to the AFC, we were able to adapt the Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) protocol, initially conceived for cold atoms, to a solid-state ensemble. This experiment proved that we can produce light-matter entanglement between a heralding photon, at 606 nm, and a spin-wave excitation delocalized inside the ensemble. The matter excitation could be read on-demand at a later time with a read pulse, and mapped as a second photon, at 606 nm as well, emitted by the memory. Quantum correlations between the two photons were measured, enabling the violation of a Bell inequality, thus demonstrating the presence of entanglement. The read-out efficiency of this experiment was low, 1.6%, but solutions were identified to increase this value.

In the second experiment, we laid the groundwork for the quantum frequency conversion (QFC) of these photons to the telecom band. The long duration of these photons, up to 1 µs, makes their conversion with high signal-to-noise ratio (SNR) challenging. The conversion from the visible 606 nm wavelength to the telecom regime (1552 nm) was achieved by difference-frequency generation (DFG) in a PPLN waveguide using a strong pump field at 994 nm. A proof of principle with weak coherent pulses showed that we can convert µs-long photons with the low heralding efficiency of the previous experiment with a SNR around 2.6. This sets the stage for interfacing an AFC-DLCZ memory, working at 606 nm, with the telecom network and with material systems working at a different wave length.

Finally, in the last experiment, we implemented an AFC impedance-matched cavity (IMC) storage experiment. It has been demonstrated theoretically and experimentally that the IMC enhances the storage and read-out efficiency of the AFC protocol. We harnessed this cavity to store weak coherent Gaussian pulses with up to 62% efficiency. Moreover, we stored weak coherent time-bin qubits in the same system, achieving 52% efficiency and, with an additional analysis carried out by means of an unbalanced Mach-Zehnder AFC-based interferometer, assessing a measured fidelity of 95% for the retrieved qubit, leading to a quantum memory fidelity compatible with 100%, within uncertainty. We additionally studied the influence of slow-light effects in our crystal, confirming that they lead to a reduction of cavity bandwidth by two orders of magnitude. Moreover, the AFC storage time was extended up to 50 µs, to certify that the efficiency enhancement holds for different combs.

The achievements of this thesis represent the state of the art for the AFC efficiency and for qubit storage in solid-state systems, and pave the way towards efficient quantum memories. In addition, we reported the first demonstration of a solid-state photon pair source of entangled photons with embedded solid-state multimode memory. The results accomplished by this last AFC-DLCZ experiment in terms of heralding efficiency make it possible to interface it with our quantum frequency conversion experiment. Indeed, the QFC experiment, combined with the AFC-DLCZ one, enables to establish a quantum node and to interface it with different kind of nodes via conversion to the telecom band.

(Español) Los repetidores cuánticos son el fundamento de las futuras redes cuánticas de larga distancia. En la mayoría de las arquitecturas, su núcleo funcional está constituido por memorias cuánticas, dispositivos que pueden almacenar y reemitir información fotónica cuántica bajo demanda. El objetivo de esta tesis es avanzar hacia nodos eficientes de repetidores cuánticos que permitan crear correlaciones cuánticas entre fotones de telecomunicaciones y qubits materiales. Con estos fines, llevamos a cabo tres experimentos principales.

En nuestro primer trabajo, construimos una fuente en estado sólido de fotones entrelazados con capacidades de almacenamiento integradas. Esta memoria cuántica emisiva se implementó en un cristal de Pr3+:Y2SiO5, mediante el protocolo del peine atómico de frecuencia (AFC). Gracias al AFC pudimos adaptar el protocolo Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ), concebido para átomos fríos, a un ensamble de estado sólido. Este experimento demostró que podemos producir entrelazamiento de materia y luz entre un fotón mensajero, a 606 nm, y una excitación de onda de espín dentro del material. En un momento posterior, la excitación de la materia se transfirió a un segundo fotón a 606 nm, emitido por la memoria, a través de un pulso de lectura. Se midieron las correlaciones cuánticas entre los dos fotones, lo que permitió la violación de una desigualdad de Bell, demostrando así la presencia de entrelazamiento. La eficiencia fue baja, un 1,6%, pero se identificaron soluciones para aumentar este valor.

En el segundo experimento, abrimos el camino para la conversión cuántica de frecuencia (QFC) de estos fotones a la banda de telecomunicaciones. La larga duración de estos fotones, de hasta 1 µs, hace que su conversión con una alta relación señal-ruido (SNR) sea un desafío. La conversión desde 606 nm a 1552 nm se logró mediante la generación de diferencia de frecuencia (DFG) en una guía de ondas PPLN utilizando un fuerte campo de bombeo a 994 nm. Una prueba con pulsos coherentes débiles (PCDs) mostró que podemos convertir fotones de unos µs, dada la eficiencia de anuncio del experimento anterior, con una SNR de 2,6. Esto prepara el escenario para interconectar una memoria AFC-DLCZ, que funciona a 606 nm, con la red de telecomunicaciones (1530 nm – 1565 nm) y con sistemas materiales que funcionan a una longitud de onda diferente.

Finalmente, en el último experimento, implementamos el protocolo AFC asistido por una cavidad con impedancia adaptada (IMC). Ha sido demostrado anteriormente que la IMC mejora la eficiencia del protocolo AFC. Usamos la cavidad para almacenar PCDs con una eficiencia de hasta el 62%. En el mismo sistema, almacenamos qubits codificados en tiempo constituidos por PCDs, logrando una eficiencia del 52% y, con un análisis realizado por medio de un interferómetro Mach-Zehnder basado en el AFC, evaluando una fidelidad del 95% para el qubit emitido, y una fidelidad de la memoria compatible con el 100%. Además, estudiamos la influencia del efecto de luz lenta en nuestro cristal y concluimos que conlleva una reducción del ancho de banda de la cavidad de dos órdenes de magnitud. Finalmente, el tiempo de almacenamiento del AFC se extendió hasta 50 µs, para certificar que la mejora de la eficiencia se mantiene para diferentes AFCs.

Los logros de esta tesis son la vanguardia, en cuanto a eficiencia, para las memorias basadas en el AFC y para el almacenamiento de qubits en sistemas de estado sólido, y abren paso hacia las memorias cuánticas eficientes. Además, hemos hecho la primera demostración de una fuente de estado sólido de parejas de fotones entrelazados que además funciona como memoria multimodo de estado sólido integrada. Los resultados del experimento AFC-DLCZ en términos de eficiencia de anuncio hacen posible conectarlo con nuestro experimento de QFC. La combinación de los dos permite establecer un nodo cuántico y conectarlo con diferentes tipos de nodos mediante la conversión a la banda de telecomunicaciones.