A multimode solid-state quantum memory for single photons
Authors:   , Seri Alessando 
Published: October 2023

Quantum memories (QMs) for light represent a fundamental ingredient for the development of a quantum internet. Among other applications, they are a building block for the distribution of entanglement on large scale, i.e. for the realization of a quantum repeater architecture.
Rare earth doped crystals (REDCs) are a promising candidate towards this goal. In my thesis I use a Pr3+:Y2SiO5 crystal. The longest storage time and the highest retrieval efficiency for a solid-state memory measured so far, were demonstrated with this system (in the classical regime). However, the main advantages of solid-state platforms are their suitability for miniaturization and integration as well as their inhomogeneous broadening, which enables broadband storage and spectral multiplexing.
In this thesis we demonstrate an on-demand solid-state QM for real single photons. Moreover we study new platforms for integrated QM based on the same material. We employ the atomic frequency comb (AFC) technique, which is the most promising storage protocol in terms of temporal multiplexing up to now.
Until the start of my PhD there was still no demonstration of storage of a real quantum state of light with an on-demand readout in REDCs. We achieved this in the course of this thesis, measuring also for the first time (and only, at the time of writing) non-classical correlation between a single spin wave in a solid-state QM and a telecom photon.
After proving the suitability of Pr3+:Y2SiO5 crystals for on-demand QMs, we demonstrated novel types of integrated optical memories based on the same system. We studied the spectroscopic and coherence properties of the ions in laser-written waveguides fabricated by fs-laser micromachining. These projects were developed in collaboration with Dr. R. Osellame and Dr. G. Corrielli at Politecnico di Milano, who fabricated the waveguides and analysed their guiding properties. In a first kind of waveguide, called type II, we performed the first storage with on-demand retrieval ever done in solid-state integrated optical memories (with classical light).
We continued analysing a so-called type I waveguide, in which the mode-size is comparable with the mode guided in a single-mode fiber at the same wavelength. Here we showed storage of heralded single-photons for a pre-programmed time. The demonstrated storage time, 5.5 µs, is the longest quantum storage demonstrated in any integrated waveguide up to now.
Finally, we performed in the same waveguide storage of the whole spectrum of a frequency-multiplexed heralded photon, spanning a range of frequencies of ˜ 4 GHz. The photon is naturally multiplexed due to the generation method used, namely cavity-enhanced SPDC. The possibility of storing such a broad spectrum comes from the intrinsic inhomogeneous broadening present in REDCs. Together with the 15 frequency modes constituting the multiplexed photon, 9 temporal modes were stored thanks to the intrinsic temporal multimodality of the AFC protocol.
The method used to fabricate our waveguides, fs-laser micromachining, is the only one to our knowledge that allows for direct 3D fabrication in the substrate. In the future, this will yield matrices of fiber-pigtailed waveguide-based QMs, thus enabling a high degree of spatial multiplexing, which nowadays is mostly exploited in atomic clouds, where temporal and spectral multiplexing are more difficult to achieve.
The crystal, the protocol and the waveguide fabrication technique employed in this thesis, represent all together a very promising system, opening the way for a future quantum repeater architecture based on scalable highly multiplexed QMs.

Les memòries quàntiques (MQs) per a la llum constitueixen un ingredient fonamental per al desenvolupament d’un Internet quàntic. Entre altres aplicacions, són un element bàsic per a la distribució de l’entrellaçament a llargues distancies, és a dir, per a la realització d’un repetidor quàntic. Els cristalls dopats amb terres rares (REDC) són candidats prometedors cap a aquest objectiu. En la meva tesi uso el cristall Pr3+:Y2SiO5. Amb aquest sistema (en el règim clàssic) es va demostrar el temps d’emmagatzematge més llarg i la major eficiència d’una memòria d’estat sòlid. No obstant això, els principals avantatges de les plataformes en estat sòlid són la possibilitat de miniaturització i integració, així com la ampliació inhomogènia dels seus perfils d’absorció, que permet emmagatzemar fotons amb banda ampla o multiplexats en freqüència. En aquesta tesi demostrem una MQ d’estat sòlid amb lectura on-demand per a fotons únics reals. A més, estudiem noves plataformes per a MQs integrades basades en el mateix material. Utilitzem la tècnica de pinta de freqüència atòmica (AFC), que és el protocol d’emmagatzematge més prometedor per a multiplexació temporal fins ara. Al començament del meu doctorat no hi havia cap demostració d’emmagatzematge d’un real estat quàntic amb una lectura on-demand del fotó en REDC. Ho hem aconseguit en el curs d’aquesta tesi, mesurant també per primera vegada (i única, en el moment d’escriure), una correlació no-clàssica entre una única ona de spin en una MQ d’estat sòlid i un fotó de telecomunicacions. Després de demostrar la idoneïtat dels cristalls Pr3+:Y2SiO5 com MQs, vam demostrar nous tipus de memòries òptiques integrades basades en el mateix sistema. Vam estudiar les propietats espectroscòpiques i de coherència dels ions en guies d'ones escrites amb làser fabricades amb la tècnica del fs-làser micromachining. Aquests projectes van ser desenvolupats en col·laboració amb el Dr. R. Osellame i el Dr. G. Corrielli del Politècnic de Milà, que van fabricar les guies d'ones i van analitzar les seves propietats orientadores. En un primer tipus de guia d'ona, anomenada tipus II, vam realitzar el primer emmagatzematge amb lectura on-demand mai realitzada en memòries òptiques integrades en estat sòlid (amb llum clàssica). Després vam analitzar un altre tipus de guia d’ondes anomenada tipus I, en la qual la mida del mode és comparable amb el mode guiat en una fibra monomode a la mateixa longitud d’ona. Aquí vam mostrar l’emmagatzematge de fotons simples durant un temps preprogramat. El temps d’emmagatzematge demostrat, de 5.5 µs, és fins ara l'emmagatzematge quàntic més llarg demostrat en qualsevol guia d'ones integrada. Finalment, es va realitzar en la mateixa guia l’emmagatzematge de tot l'espectre d'un bi-fotó multiplexat en freqüència, abastant un rang de freqüències de ˜4 GHz. El fotó és multiplexat de forma natural gracies al mètode de generació utilitzat, és a dir, el SPDC millorat per cavitat. La possibilitat d’emmagatzemar un espectre tan ampli prové de l’ampliació intrínseca de l’absorció inhomogènia present en els REDC. Juntament amb els 15 modes de freqüència que constitueixen el fotó multiplexat, s'han emmagatzemat 9 modes temporals gràcies a la multimodalitat temporal intrínseca del protocol AFC. El mètode utilitzat per fabricar les nostres guies d'ona, fs-làser micromachining, és l'únic que coneixem que permet directament fabricar en 3D en el substrat. En el futur, això donarà matrius de MQs basades en guies d’onades integrades con fibres, que permetran un alt grau de multiplexació espacial, que avui en dia s’explota sobretot en núvols atòmics, on el multiplexatge temporal i espectral és més difícil d’aconseguir. El cristall, el protocol i la tècnica de fabricació de guies d'ona utilitzats en aquesta tesi, representen tots junts un sistema