Nonlinear optics with a Rydberg ensemble for quantum information processing purposes
Authors:   , Lowinski Jan 
Published: April 2024

(English) Photons have emerged as the main candidates for carrying quantum information due to their weak interaction with the environment. Unfortunately, their limited interaction with one another poses challenges for photonic quantum information processing. One of the possible solutions lies in the unique behavior of interacting Rydberg excitations in cold atomic ensembles, where strong nonlinearities enable engineering interactions among individual photons. This phenomenon makes Rydberg ensembles a promising platform for quantum information applications, notably in long-distance quantum communication. This thesis presents a series of experiments that explore and exploit Rydberg-mediated interactions, all with the long-term objective of building an efficient quantum repeater.

The thesis begins with a concise theory overview of Rydberg and ensemble physics. This is followed by an explanation of the experimental setup. I discuss how, building upon a previously existing setup, we improved the stability and spectral properties of our laser system, along with enhancing the quality of the atomic ensemble. The introductory section of the thesis concludes with a description of two different single-photon generation methods and an in-depth review of various decoherence mechanisms impacting Rydberg ensemble excitations. The single-photon generation performance has been improved by the modifications implemented in the setup, resulting in higher generation rates and better single-photon purity. Supported by experimental data and a careful analysis of experimental parameters, we identify the most probable sources of significant decoherence and suggest potential strategies for mitigation.

In our initial experiment, we achieve the storage and subsequent retrieval of an on-demand single photon. This photon is generated through the collective excitation of Rydberg states in one cold atomic ensemble, and it is stored in a low-noise Raman quantum memory situated in another cold atomic ensemble. Our results show the capability to store and retrieve these single photons while maintaining a high signal-to-noise ratio of up to 26 and preserving strong antibunching characteristics. We also explore the built-in temporal beam splitting capabilities of the Raman memory and successfully use the memory to control the single photon waveshape.

In the second experiment, we demonstrate for the first time an interaction and storage of single photons in a highly non-linear medium based on cold Rydberg atoms. We employ the DLCZ protocol in a cold atomic ensemble to create single photons, guiding them to another ensemble for storage in a highly excited Rydberg state under conditions of electromagnetically induced transparency. By studying the statistics of the light retrieved from the Rydberg atoms, we show for the first time single-photon filtering with non-classical input light. Moreover, through Monte Carlo simulation, we get an intuitive understanding of the effect of the (partial) Rydberg blockade upon the Fock state distribution of arbitrary input light pulses. This allows us to conclude that the response of the medium is determined by the input Fock state distribution, what confirms the established understanding of Rydberg ensemble nonlinearity. This demonstration can be seen as a step towards realization of deterministic photon-photon gates based on Rydberg ensembles with single photon inputs.

The results presented in this thesis affirm the potential of Rydberg ensembles to become central elements of future quantum networks, both as single photon sources and processing nodes. Furthermore, auxiliary outcomes provide an additional understanding of the Rydberg ensemble physics and offer insight into limitations that we need to overcome to improve further our setup.
(Català) Els fotons han sorgit com els principals candidats per transportar informació quàntica a causa de la seva feble interacció amb el medi ambient. Malauradament, la seva interacció limitada entre ells planteja reptes per al processament de la informació quàntica fotònica. Una de les possibles solucions rau en el comportament únic de les excitacions de Rydberg interactuants en conjunts atòmics freds, on les fortes no linealitats permeten interaccions d'enginyeria entre fotons individuals. Aquest fenomen fa que els conjunts de Rydberg siguin una plataforma prometedora per a aplicacions d'informació quàntica, especialment en la comunicació quàntica de llarga distància. Aquesta tesi presenta una sèrie d'experiments que exploren i exploten les interaccions mediades per Rydberg, tots amb l'objectiu a llarg termini de construir un repetidor quàntic eficient.

La tesi comença amb una visió general concisa de la teoria de Rydberg i la física de conjunts atòmics. Tot seguit s'explica la configuració experimental. Parlo de com, a partir d'una configuració existent anteriorment, hem millorat l'estabilitat i les propietats espectrals del nostre sistema làser, juntament amb la millora de la qualitat del conjunt atòmic. La secció introductòria de la tesi conclou amb una descripció de dos mètodes diferents de generació de fotons únics i una revisió en profunditat de diversos mecanismes de decoherència que afecten les excitacions del conjunt de Rydberg. El rendiment de la generació de fotons únics s'ha millorat amb les modificacions implementades a la configuració, donant lloc a taxes de generació més altes i una millor puresa dels fotons únics. Amb el suport de dades experimentals i una anàlisi acurada dels paràmetres experimentals, identifiquem les fonts més probables de decoherència significativa i proposem estratègies potencials per a la seua mitigació.

En el nostre experiment inicial, aconseguim l'emmagatzematge i la posterior recuperació dels fotons únics sota demanda. Aquest fotó es genera mitjançant l'excitació col·lectiva dels estats de Rydberg en un conjunt atòmic fred i s'emmagatzema en una memòria quàntica de Raman de baix soroll situada en un altre conjunt atòmic fred. Els nostres resultats mostren la capacitat d'emmagatzemar i recuperar aquests fotons únics mantenint una alta relació senyal-soroll de fins a 26 i conservant fortes característiques antiagrupament.

En el segon experiment, demostrem per primera vegada una interacció i emmagatzematge de fotons únics en un medi altament no lineal basat en àtoms freds de Rydberg. Utilitzem el protocol DLCZ en un conjunt atòmic fred per crear fotons únics, guiant-los a un altre conjunt per emmagatzemar-los en un estat de Rydberg molt excitat en condicions de transparència induïda electromagnèticament. En estudiar les estadístiques de la llum recuperada dels àtoms de Rydberg, mostrem per primera vegada el filtratge del fotó únic amb llum no clàssica d'entrada. A més, mitjançant la simulació de Monte Carlo, obtenim una comprensió intuïtiva de l'efecte del bloqueig (parcial) de Rydberg sobre la distribució d'estat de Fock dels polsos arbitraris de llum d'entrada. Això ens permet concloure que la resposta del medi està determinada per la distribució d'estat de Fock d'entrada, la qual cosa confirma la comprensió establerta de la no linealitat del conjunt de Rydberg.

Els resultats presentats en aquesta tesi afirmen el potencial dels conjunts de Rydberg per convertir-se en elements centrals de futures xarxes quàntiques, tant com a fonts de fotons individuals com nodes de processament. A més, els resultats auxiliars proporcionen una comprensió addicional de la física del conjunt de Rydberg i ofereixen una visió de les limitacions que hem de superar per millorar encara més la nostra configuració.