Exploring quantum memory schemes in cold atoms for quantum repeaters
Authors:   , Heller Lukas 
Published: March 2024

(English) Quantum memories are devices that are able to store photonic quantum states and entanglement. Future quantum networks, which could enhance cybersecurity through quantum key distribution, improve the precision in atomic clock networks, and connect quantum devices over long distances, rely on them. This thesis reports on experiments towards improved quantum memories for quantum repeaters used in long-distance quantum communication.

The quantum memory is based on a cloud of laser-cooled Rubidium-87. Thanks to collective interference effects, this system enhances the light-matter interaction compared to that of a single atom. This is exploited to either create long-lived quantum correlations between light and atomic excitations through probabilistic light scattering (DLCZ protocol) or to efficiently absorb an incoming single photon (Raman protocol). In both cases, the excitation is retrieved after a programmable delay as a single photon. An optical cavity around the atoms further enhances the light-matter coupling.

In a first experiment, the DLCZ protocol is combined with a photon echo protocol, allowing for the sequential creation of excitations in N distinguishable temporal modes. This is known as temporal multiplexing. Multiplexing improves the rate at which entanglement is created in a network link by a factor N. Here, the cavity is essential to suppress noise originating from the probabilistic scattering of light in the DLCZ protocol. Ten temporal modes are stored while maintaining strong quantum correlations between the scattered photon and the atomic excitation.

In a second experiment, a quasi-deterministic single photon is stored in the cloud following the Raman protocol. The photon originates from an ensemble of laser-cooled Rydberg atoms. Strong dipole-dipole interactions prevent the excitation of more than one atom to the Rydberg level, leading to the creation of a single collective Rydberg excitation which is later retrieved as a single photon. A deterministic source, opposed to a probabilistic source, improves the entanglement creation rate as it generates single photons at higher rates. The single photon is stored and faithfully retrieved from the memory while maintaining its single-photon nature. The cavity is not being used in this experiment.

In a third experiment, the retrieval efficiency of a stored excitation is increased by cavity-enhancing the read-out process. Highly-efficient memories are important because the entanglement distribution scales strongly with memory efficiency. The intra-cavity efficiency could be improved by a factor 2-3, depending on the protocol, even for a non-optimal cavity setup.

Finally, ongoing work towards efficient entanglement between an atomic excitation and a telecom photon is presented, involving a cavity-enhanced DLCZ memory, an atomic dipole trap and quantum frequency conversion (QFC) to the telecom C-band. As the memory operates in the optical domain, where photonic transmission losses are large, QFC will be needed to communicate over large distances. This setup will be used in the future for a hybrid experiment connecting the cold atomic memory to a solid state memory.

These investigations target intrinsic limitations of early, proof-of-principle quantum links. They can therefore help to build practical links in the future.
(Català) Les memòries quàntiques són dispositius capaços d'emmagatzemar estats quàntics fotònics i entrellaçament. Les xarxes quàntiques futures, que podrien millorar la ciberseguretat mitjançant la distribució de claus quàntiques, millorar la precisió de les xarxes de rellotge atòmic i connectar dispositius quàntics a llargues distàncies, depenen d'elles. Aquesta tesi presenta experiments cap a memòries quàntiques millorades per a la comunicació quàntica a llarga distància.

La memòria quàntica es basa en un núvol de Rubidi-87 refrigerat per làser. Gràcies als efectes d'interferència col·lectiva, la interacció llum-matèria d'aquest sistema es millora en comparació amb la d'un sol àtom. Això s'aprofita per crear correlacions quàntiques de llarga duració entre la llum i les excitacions atòmiques mitjançant la dispersió probabilística de la llum (protocol DLCZ) o per absorbir de manera eficient un fotó únic entrant (protocol Raman). En ambdós casos, l'excitació es recupera després d'un retard programable com un fotó únic. Una cavitat òptica al voltant dels àtoms millora encara més l'acoblament llum-matèria.

En un primer experiment, el protocol DLCZ es va combinar amb un protocol d'eco de fotons per permetre la creació i la recuperació distingible de N excitacions atòmiques que es van crear seqüencialment en el mateix mode espacial. Això es coneix com a multiplexació temporal. La multiplexació millorarà la velocitat a la qual es crea l'entrellaçament en una xarxa per un factor N. Aquí, la cavitat era essencial per suprimir el soroll provinent de la dispersió probabilística de la llum al protocol DLCZ. Es van emmagatzemar 10 modes temporals mantenint fortes correlacions quàntiques entre el fotó dispers i l'excitació atòmica.

En un segon experiment, es va emmagatzemar un fotó únic quasi determinista al núvol seguint el protocol Raman. El fotó es va originar a partir d'un conjunt d'àtoms de Rydberg refrigerats per làser. Les fortes interaccions dipol-dipol impedeixen l'excitació de més d'un àtom al nivell de Rydberg, donant lloc a la creació d'una única excitació col·lectiva de Rydberg que després es recupera com un sol fotó. Una font determinista, oposada a una font probabilística, millora la velocitat de creació d'entrellaçament ja que genera fotons únics a velocitats més altes. Vam demostrar que el fotó únic es podia emmagatzemar i recuperar fidelment de la memòria mantenint la seva naturalesa de fotó únic. La cavitat no es va utilitzar aquí.

En un tercer experiment, l'eficiència de recuperació d'una excitació emmagatzemada es va augmentar mitjançant un procés de lectura millorat per una cavitat. Les memòries altament eficients són importants, ja que la distribució de l'entrellaçament escala fortament amb l'eficiència de la memòria. L'eficiència intra-cavitat es va millorar en un factor 2-3, depenent del protocol, fins i tot per a una configuració de cavitat no òptima.

Finalment, es presenta el treball en curs cap a l'entrellaçament eficient entre una excitació atòmica i un fotó de telecomunicacions, que inclou una memòria DLCZ millorada per cavitat, una trampa de dipols atòmics i conversió de freqüència quàntica (QFC) a la banda C de telecomunicacions. Com que la memòria opera en el domini òptic, on les pèrdues de transmissió fotònica són grans, caldrà QFC per comunicar-se a grans distàncies. Aquesta configuració s'utilitzarà en el futur per a un experiment híbrid que connecti la memòria atòmica freda amb una memòria d'estat sòlid.

En aquestes investigacions ens centrem en les limitacions intrínseques de les primeres proves de principi de connexions quàntiques.Per tant, podrien ajudar a construir connexions pràctics en el futur.
(Español) Las memorias cuánticas son dispositivos capaces de almacenar estados cuánticos de la luz. De ellas dependen las futuras redes cuánticas, que podrían mejorar la ciberseguridad mediante la distribución de claves cuánticas, aumentar la precisión de las redes de relojes atómicos y conectar dispositivos cuánticos a larga distancia. En esta tesis se presentan experimentos para mejorar las memorias cuánticas utilizadas en repetidores cuánticos que permitirán la comunicación cuántica a larga distancia.

Aquella memoria cuántica se basa en una nube de Rubidio-87 refrigerada por láser. Gracias a los efectos de interferencia colectiva, la interacción luz-materia de este sistema es mayor que la de un solo átomo. Esto se aprovecha para crear correlaciones cuánticas duraderas entre la luz y las excitaciones atómicas mediante la dispersión probabilística de la luz (protocolo DLCZ) o para absorber eficazmente un solo fotón entrante (protocolo Raman). En ambos casos, tras la excitación se recupera un fotón único después de un retardo programable. Una cavidad óptica alrededor de los átomos mejora aún más el acoplamiento luz-materia.

En un primer experimento, el protocolo DLCZ se combinó con un protocolo de eco de fotones que permite crear excitaciones atómicas secuencialmente en N modos temporales distinguibles. Esto se conoce como multiplexación temporal. La multiplexación mejorará la velocidad a la que se crea entrelazamiento en una red en un factor N. En este caso, la cavidad era esencial para suprimir el ruido originado por la dispersión probabilística de la luz en el protocolo DLCZ. Se almacenaron 10 modos temporales mientras se mantenían fuertes correlaciones cuánticas entre el fotón dispersado y la excitación atómica collectiva.

En un segundo experimento, se almacenó en la nube un único fotón cuasi-determinista siguiendo el protocolo Raman. El fotón procedía de un conjunto de átomos Rydberg refrigerados por láser. Las fuertes interacciones dipolo-dipolo impiden la excitación de más de un átomo al nivel de Rydberg, lo que conduce a la creación de una única excitación colectiva de Rydberg que posteriormente se recupera como un único fotón. Una fuente determinista, en contraposición a una fuente probabilística, mejora la velocidad de creación de entrelazamiento, ya que genera fotones únicos a tasas más altas. Demostramos que el fotón único podía almacenarse y recuperarse fidedignamente de la memoria manteniendo su naturaleza de fotón único. En este experimento no se utilizó la cavidad.

En un tercer experimento, se aumentó la eficiencia de recuperación de una excitación almacenada, mejorando el proceso de lectura mediante la cavidad. Las memorias de alta eficiencia son importantes, ya que la distribución del entrelazamiento depende en gran medida de la eficiencia de la memoria. La eficiencia intracavitaria se mejoró en un factor 2-3, dependiendo del protocolo, incluso para una configuración de cavidad no óptima.

Por último, se presentan los trabajos en curso para lograr un entrelazamiento eficiente entre una excitación atómica y un fotón en el rango de las telecomunicaciones, que implican una memoria DLCZ mejorada por cavidad, una trampa dipolar atómica y conversión de frecuencia cuántica (QFC) a la banda C de telecomunicación. Como la memoria funciona en el dominio óptico, donde las pérdidas de transmisión fotónica son grandes, se necesitará QFC para comunicarse a grandes distancias. Esta configuración se utilizará en el futuro para un experimento híbrido que conecte la memoria atómica fría con una memoria de estado sólido.

Estas investigaciones se centran en las limitaciones intrínsecas de los primeros enlaces cuánticos, que se han realizados a escala de laboratorio. Por tanto, podrían ayudar a construir enlaces prácticos en el futuro.