Solid-state quantum memory for photonic qubits
Authors:   , Gündoğan Mustafa 
Published: October 2023

Optical quantum memories (QMs) are one of the fundamental building blocks in quantum information science (QIS). They might find important use in quantum communication and computation applications.
Rare-earth ions (REIs) have been investigated for decades for their optical properties. They exhibit excellent coherence properties when cooled down to cryogenic temperatures. Not surprisingly, they emerged as a promising candidate for use in QIS as QMs.
In this thesis, we investigated the quantum storage of photonic qubits in a Pr3+ :Y2SiO5 (PrYSO) crystal for potential use in quantum communication
and networking applications.
We started by constructing the experimental setup and the laser system from scratch as our research group had just been established at the beginning of this PhD study. First experiments included spectroscopy of the PrYSO system in order to identify the electronic transitions that are
suitable for the QM experiments. We used the atomic frequency comb (AFC) memory protocol in all the experiments presented in this thesis.
We also developed complex pulse sequences that are necessary for the optical preparation of an AFC.
As a first experiment, we demonstrated the storage of photonic polarization qubits encoded in weak coherent states in the excited states of Pr3+ ions for a predetermined storage time of 500 ns. This had not been achieved previously due to the polarization dependent absorption of the material.
We achieved average storage fidelities of ~95% which surpass the best achievable value with a measure and prepare strategy, thus proving the
quantum character of our interface.
Nevertheless, in order to be implemented in realistic quantum networking architectures, a QM should have the capability of on-demand retrieval of
the stored information. As a first step towards this goal, our next experiment concerned the transfer of the input pulses to and from the long-lived
hyperfine ground levels of Pr3+ ions, albeit with bright pulses. Furthermore, by performing time-bin interference experiments, we demonstrated
that the coherence is preserved during the storage, transfer and retrieval processes. Temporal multimode storage in the spin-states up to 5 modes
was also shown.
Finally, in the last part of this thesis we demonstrated a solid-state spinwave quantum memory, with qubits encoded in weak coherent states at the single photon level. Storing and retrieving single-photon level fields in the ground levels of the PrYSO system is challenging as the strong control pulses and the weak input pulse to be stored in the memory are separated by only 10:2 MHz. The control pulses create noise, mostly as free-induction decay, fluorescence and scattering off the optical surfaces. In order to circumvent this problem we employed narrow-band spectral, temporal and spatial filtering. By using spectral-hole burning based narrow band filter created in a second PrYSO crystal, we could achieve signal-to-noise ratio (SNR) > 10 for input pulses with mean photon number of around 1. The high SNR we achieved allowed us to store and recall time-bin qubits with conditional fidelities again higher than that is possible with a measure and prepare strategy. This experiments also represents the first demonstration of a quantum memory for time-bin qubits with on demand read-out of the stored quantum information.
The results presented in this thesis fill an important gap in the field of solid-state quantum memories and open the way for the long-lived storage of non-classical states of light. They further strengthen the position of REI based systems in QIS, specifically as nodes in scalable quantum network architectures.

Les memòries quàntiques òptiques (MQs) son un dels elements fonamentals en la ciència de la informació quàntica (CIQ). El seu ús podria ser important en aplicacions relacionades amb la comunicació i la computació quàntiques. Els ions de terres rares (ITRs) han sigut investigats durant dècades per les seves propietats òptiques. Exhibeixen excel·lents propietats de coherència quan es refreden a temperatures criogèniques. Per tant, no es sorprenent que hagin emergit com a candidats per ser usats en la CIQ com a MQs. En aquesta tesis, hem investigat l'emmagatzematge quàntic de qubits fotònics en un cristall de Pr3+:Y2SiO5 (PrYSO) per al seu possible ús en aplicacions relacionades amb xarxes d'informació quàntiques. Vam començar construint el dispositiu experimental i sistemes làser des de zero, ja que el nostre grup de recerca acabava de néixer. Els primers experiments van incloure espectroscòpia del sistema de PrYSO per identificar les transicions electròniques més apropiades per als següents experiments de MQs. En tots els experiments vam utilitzar el protocol de memòria basat en una pinta de freqüències atòmiques (PFA). També vam desenvolupar complexes seqüències de polsos, necessàries per a la preparació òptica d'una PFA. En el primer experiment vam demostrar l'emmagatzematge de qubits fotònics de polarització codificats en estats coherents febles. Aquest emmagatzematge es va dur a terme en els estats excitats dels ions Pr3+ durant un temps d'emmagatzematge predeterminat de 500 ns. Aquesta fita no s'havia assolit abans degut a que l'absorció òptica del material depèn de la polarització llum. Vam aconseguir fidelitats d'emmagatzematge d'un 95% de mitjana les quals sobrepassen el millor valor que es pot aconseguir amb una estratègia de mesura i preparació provant per tant el caràcter quàntic de la nostra interfície. Per poder-se implementar de manera realista en xarxes quàntiques, una MQ hauria de tenir la capacitat de recuperar la informació en-demanda (en el moment que es desitgi). Com a primer pas, el nostre següent experiment va involucrar la transferència dels polsos d'entrada cap a i des de els nivells fonamentals hiperfins i longeus dels ions Pr3+, mitjançant polsos brillants. A més, duent a terme experiments d'interferència, vam demostrar que la coherència es preserva durant els processos d'emmagatzematge, transferència i recuperació. També vam demostrar l'emmagatzematge temporalment multimodal en els estats d'espín, de fins a 5 modes. En l'última part d'aquesta tesis vam demostrar una memòria quàntica d'estat sòlid basada en ones d'espín, amb qubits codificats en estats coherents febles al nivell d'intensitat de fotons individuals. Emmagatzemar i recuperar camps òptics al nivell de fotons individuals en estats fonamentals del sistema PrYSO és exigent perquè els potents polsos de control i el polsos dèbils d'entrada que s'emmagatzemen a la memòria estan separats per només 10.2 MHz. Els polsos de control creen soroll, la majoria consistent en decaïment de lliure inducció, fluorescència i dispersió en les superfícies òptiques. Per resoldre aquest problema vam utilitzar filtratge estret de banda en freqüència i també filtratges temporal i espacial. Utilitzant un filtre estret de banda basat el la crema de forats espectrals en un segon cristall de PrYSO, vam poder aconseguir una relació senyal soroll (RSS) > 10 per a polsos d'entrada amb un número mitjà de fotons al voltant de 1. L'alta RSS que vam aconseguir ens va permetre emmagatzemar i recuperar qubits de inteval-de-temps amb fidelitats condicionals més altes una altra vegada que el que és possible amb l'estratègia de mesura i preparació. Els resultats presentats omplen un buit important en el camp de les memòries quàntiques d'estat sòlid i obren la porta a l'emmagatzematge de llarga durada d'estats de llum no-clàssics. A més, enforteixen la posició dels sistemes de IQ basats en ITR, específicament com a nodes en arquitectures de xarxes quàntiques.