A quantum light-matter interface with Rydberg polaritons in a cold atomic ensemble
Authors:   , Distante Emanuele 
Published: October 2023

Nonlinear optics at the single-photon level enables deterministic photonphoton interaction, a long-standing goal in quantum photonics science. Besides its implication in fundamental aspects of physics, this would unlock several applications in quantum information science. A relevant example are deterministic Bell state measurements, which find a prominent application in long-distance quantum communications using quantum repeater architecture. Toward this goal, we built a highly nonlinear system based on Rydberg excited states of a cold atomic ensemble and electromagnetically induced transparency (EIT).
Our work first focuses on the storage of weak coherent light pulses in the atomic ensemble analysing the resulting nonlinear response of the medium. Then we demonstrate storage and retrieval of a paired single photon by coupling the Rydberg ensemble with a second remote cold atomic based quantum memory.
Our set-up is based on magneto-optically trapped 87Rb atoms cooled down to temperature of 50 to 100 μK, with a cloud density of 10 ^(10) cm^(-3). Using EIT, light pulses are slowed down, stored as Rydberg collective atomic excitation and retrieved. We characterize EIT, slow-light and light-storage on a variety of Rydberg states, from the 26S up to the 80S. Depending on the state, the typical storage efficiency observed is of the order of few percents at a storage time of ~200 ns while the typical 1/e coherence time is of ~2us.
By studying the optical response at different mean probe photon number, we have examined the Rydberg induced nonlinearity in EIT, slow-light and stored-light case for different Rydberg states. In particular, we have measured the nonlinear Rydberg induced dephasing of a stored collective Rydiberg state. For few microseconds storage time we have measured nonlinear response at the order of tens of photons. Our results show that light-storage enhances the nonlinear response of the atomic ensemble when compared to the slow light case, this possibly facilitating photonic quantum information processing using Rydberg excited atoms.
Finally, we have used a separated cold atomic quantum memory to generate pair of correlated single photons. One photon of the pair is stored as single collective Rydberg atomic excitation and we show that non-classical correlations between the two photons and the single-photon statistic persist after the retrieval from the Rydberg ensemble. This result marks an important step towards deterministic photon-photon interactions. At the same time, linking a quantum memory with a highly nonlinear system may enable deterministic distribution of entanglement over long-distance using quantum repeaters.

Un dels objectius que la fotònica quàntica persegueix des de temps ençà és la interacció determinista entre fotons, fenomen que podria assolir-se gràcies als avanços en l'òptica no-lineal a nivell de fotó únic. Aquests avanços, a més de les seves implicacions en la física fonamental, possibilitarien diferents aplicacions de la informació quàntica. A mode d'exemple, es podrien portar a terme mesures d'estat de Bell deterministes que facilitessin un funcionament eficient de l'arquitectura dels repetidors quàntics. En aquest projecte, i seguint aquesta línia, hem construït un sistema altament no-lineal basat en estats excitats de Rydberg d'un gas d'àtoms freds i hem aplicat el fenomen de la transparència induïda electromagnèticament (EIT). En un primer moment, ens hem focalitzat en l'emmagatzematge de polsos febles de llum coherent dins el núvol atòmic i en l'anàlisi de la resposta no-lineal del medi. Després, hem demostrat el emmagatzematge i la posterior recuperació d'un fotó emparellat (que forma part d'una parella de fotons correlacionat) gràcies a l'acoblament del nostre sistema d'àtoms Rydberg amb una altra memòria quàntica basada en conjunt diferenciat d'àtoms freds. El nostre dispositiu es compon d'àtoms de 87Rb dins una trampa magneto-òptica que han estat refredats a una temperatura de 50uK amb una densitat de 10^(10) cm^(-3). Utilitzant EIT, alentim els polsos de llum, els emmagatzemem en forma d'excitacions col·lectives a nivells de Rydberg i, posteriorment, els recuperem. Després, caracteritzem la llum lenta i l'emmagatzematge de fotons. Per fer-ho, utilitzem diferents estats de Rydberg: des de el 26S fins al 80S. En funció de l'estat, l'eficiència d'emmagatzematge observada és típicament de l'ordre de 2-8% en un temps ~200 ns, mentre que el temps de coherència 1/e típic és de 2us. A través de l'estudi de la resposta òptica a diferents escales de fotons, hem examinat la no-linealitat induïda per les interaccions dipolo-dipolo entre els estats de Rydberg a l'EIT i quins són els seus efectes, tant en la llum lenta, com en l'emmagatzematge. En concret, hem mesurat el desfasament quàntic induït per les interaccions dipolo-dipolo en els estats col·lectius de Rydberg. Al emmagatzemar-los durant uns microsegons, hem pogut mesurar les respostes no-lineals al nivell de desenes de fotons. Els nostres resultats demostren que l'emmagatzematge de la llum augmenta la resposta no-lineal del sistema atòmic respecte a la mera propagació a través del núvol d'àtoms facilitant, d'aquesta forma, el processament de la informació quàntica amb l'ús d'àtoms de Rydberg excitats. Per últim,hem acoblat el nostre sistema amb una altra memòria quàntica basada en àtoms freds que és capaç de generar parells correlacionats de fotons únics. Així, hem pogut demostrar que tant les correlacions no-clàssiques entre els fotons de la parella, com l'estadística que caracteritza el fotó únic, persisteixen després de l'emmagatzematge i la posterior recuperació d'un dels fotons de la parella dins del conjunt d'àtoms en forma d'excitació col·lectiva de Rydberg. Aquest resultat és un pas important cap a la demostració de les interaccions deterministes entre fotons. A la vegada, el fet d'acoblar una memòria quàntica amb un sistema altament no-lineal podria facilitar la distribució determinista d'entrellaçament a llargues distàncies amb l'ús de repetidors quàntics.