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.
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.
A photonic quantum memory (QM) is a device that has the capability of storing a quantum state of light and retrieving back after a controlled time. It is an important element in quantum information science and is, among other applications, a crucial device for quantum repeater architectures which have been proposed to overcome the loss and the decoherence issues in long distance transmission of photons. Rare earth ion doped solid state systems are promising candidates for QMs which combine the advantages of solid state systems, such as scalability and reduced experimental complexity, with the long coherence time typically found in atomic systems. In this thesis, I investigated three different QM protocols in a Pr3+:Y2SiO5 crystal. The first part describes here the first demonstration of the spectral hole memory (SHoMe) protocol which was proposed theoretically in 2009. This protocol relies on slowing down the light in a long-lived spectral hole and transferring the excitations to the spin state. We first prepare a spectral hole, then send an input pulse whose bandwidth is comparable with the hole and stop the compressed light in the crystal by transferring the off-resonant coherence to the spin state with an optical p pulse. Later a second p pulse transfers the coherence back and leads to the emission of the stored light. We reached a storage and retrieval efficiency of around 40% in the classical regime, and of 31% in the single photon level, with a signal-to-noise ratio of 33 ± 4 for a mean input photon number of 1. These results demonstrate the most efficient and noiseless spin-wave solid-state optical memory at the single photon level to date. The second part of the thesis describes new experiments using the well-known atomic frequency comb (AFC) protocol. It is based on tailoring the inhomogeneously broadened absorption profile of the rare earth with periodic absorptive peaks, which induces the re-emission of the absorbed light field after a certain time determined by the separation between the peaks. In this chapter I describe several AFC experiments. First I present the storage of frequency converted telecom photons into our crystal where we obtained a total efficiency of 1.9 ± 0.2 % for a storage time of 1.6 µs storage time and signal-to-noise ratio of more than 200 for a mean input photon number of 1. Then I discuss the results of improved excited state storage efficiency values for long storage times where we achieved 30% at short storage times and up to 17% at 10 µs storage time. And finally I present a spin-wave AFC experiment where we obtained a signal-to-noise ratio value of 28 ± 8 for a mean input photon number of 1, the highest value achieved so far for this kind of experiment. Finally, in the last part, I describe the first demonstration of a solid-state photon pair source with embedded multimode quantum memory. The aim of the protocol is to combine a single photon source and a QM in one ensemble as in the well-known Duan-Lukin-Zoller-Cirac (DLCZ) scheme however this time not in a cold atomic ensemble but in a solid-state crystal. The protocol takes advantage of the AFC protocol for rephasing the ions and obtaining efficient read-out. The use of AFC also makes the protocol temporally multi-mode. In the experiment, after the AFC preparation we send an on-resonant write pulse and detect the decayed Stokes photons which herald single spin excitations. At a later time a read pulse transfers the spin excitation back to the excited state and we detect the anti-Stokes photons. We show strong non-classical second order cross-correlations between the Stokes and anti-Stokes photons and demonstrate storage of 11 temporal modes. The results presented in this thesis represent a significant contribution to the field of solid-state quantum memories and an important steps towards the realization of scalable quantum network architectures with solid state systems. Una memòria quàntica (MQ) és un dispositiu que té la capacitat d'emmagatzemar l'estat quàntic de la llum i retornar-lo després d'un temps controlat.És un element important en la ciència de la informació quàntica i és un dispositiu crucial per a arquitectures de repetidors quàntica.Els sistemes d'estat sòlid basats en ions de terres rares són candidats prometedors per implementar MQs, ja que combinen els avantatges dels sistemes sòlids (escalabilitat i poca complexitat experimental) amb els llargs temps de coherència dels sistemes atòmics.En aquesta tesis he investigat tres protocols diferents de MQ en un cristall de Pr3+:Y2SiO5. La primera part descriu la primera demostració del protocol de memòria basat en forats espectrals (MFE), que va ser proposat teòricament el 2009. Aquest protocol es basa en disminuir la velocitat de la llum en un forat espectral de vida llarga i transferir les excitacions a un estat d'espín. Comencem preparant un forat espectral, després enviem un pols de llum amb una amplada espectral comparable a la del forat i aturem la llum comprimida en el cristall transferint la coherència fora de ressonància a l'estat d'espín amb un pols òptic.Seguidament un segon pols retorna la coherència i porta a l'emissió de la llum emmagatzemada. Aconseguim una eficiència d'emmagatzematge i recuperació de 40% en el règim clàssic i de 31% al nivell de fotons individuals, amb una relació senyal-soroll de 33 ±4 per un nombre mitjà de fotons incidents igual a 1. Aquests resultats demostren la memòria òtica operant al nivell de fotons individuals amb més eficiència i més lliure de soroll. La segona part de la tesis descriu nous experiments que utilitzen el protocol de pintes de freqüència atòmiques (PFA). Aquest està basat en modificar el perfil d'absorció eixamplat inhomogèniament dels ions de terres rares, creant pics d'absorció periòdics que indueixen la reemissió del camp de llum absorbit, després d'un cert temps que ve determinat per la separació dels pics. En aquest capítol descric varis experiments de PFA. Primer presento l'emmagatzematge en el nostre cristall de fotons amb freqüència convertida des de telecom, obtenint una eficiència total de 1.9 ± 0.2% per un temps d'emmagatzematge de 1.6us i una relació senyal-soroll de més de 200 per un nombre mitjà de fotons incidents igual a 1. Seguidament discuteixo els resultats obtinguts amb una millorada eficiència d'emmagatzematge en l'estat excitat per temps d'emmagatzematge llargs, on vam obtenir 30% per temps curts i 17% a 10us. I finalment presento un experiment de PFA amb ona d'espín on vam obtenir una relació senyal-soroll de 28 ± 8 per un nombre mitjà de fotons incidents igual a 1, el valor més alt assolit mai en un experiment d'aquest tipus. Finalment, en la última part, descric la primera demostració d'una font de parelles de fotons d'estat sòlid integrada amb una memòria quàntica multimodal. L'objectiu del protocol és combinar en un sol sistema una font de fotons individuals i una MQ, com té lloc en el conegut esquema de Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ), però en aquest cas amb un cristall en lloc d'un sistema d'àtoms freds.El protocol agafa els avantatges del protocol PFA per refasar els ions i obtenir una recuperació eficient. Utilitzant PFA fa que el protocol sigui temporalment multimodal.En l'experiment, després de la preparació de la PFA, enviem un pols d'escriptura en ressonància i detectem un fotó Stokes que anuncia excitacions d'espín individuals. Un temps més tard, un pols de lectura transfereix l'excitació d'espín de tornada cap a l'estat excitat i detectem fotons anti-Stokes. Mostrem fortes correlacions de segon ordre no-clàssiques entre els fotons de Stokes i anti-Stokes i demostrem l'emmagatzematge de 11 modes temporals. Els resultats presentats en aquesta tesis representen una contribució significativa en el camp de les memòries quàntiques d'estat sòlid i un pas important cap a la realització d'arquitectures de xarxes quàntiques amb sistemes d'estat sòlid
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
Optical quantum memories are important devices in quantum information science. In particular, they are building blocks of quantum repeater architectures that have been proposed to increase the range of quantum communication beyond the limits set by losses in optical fibers. In this thesis, we report experiments with a quantum memory based on cold atoms. We focus on two important aspects relevant for using the memories as quantum repeater nodes: the connectivity to the optical fiber network, and the ability to operate in a time-multiplexed fashion. The core of the work presented in this thesis was the implementation of a quantum memory based on spontaneous Raman scattering, following the protocol of Duan, Lukin, Cirac and Zoller (DLCZ). The memory is implemented with a cold ensemble of 87Rb atoms loaded in a magneto optical trap. Single collective atomic spin excitations (spin-waves) are created in a heralded manner, before being retrieved by conversion into strongly non-classically correlated single photons. Our system showed measured second-order cross-correlation function values up to 200, an inferred intrinsic retrieval efficiency inside the science chamber up to 44%, and a memory lifetime up to 55 µs. Current realizations of DLCZ quantum memories present several limitations, reducing the maximum practical distance achievable for quantum repeaters based on these systems. We partially addressed two of them. The first one originates from high absorption in optical fibers at the operating wavelength of 780 nm. The second one is that current demonstrations only allow the creation of spin-waves in single temporal modes, limiting the entanglement generation rates in quantum repeaters protocols. A good solution to alleviate the first limitation is to translate the wavelength of the single photons to the telecom C-band, where absorption is minimal, while preserving their quantum characteristics. For this, we demonstrated an ultra-low-noise solid state photonic quantum interface based on an integrated-waveguide in a non-linear PPLN crystal. We converted heralded single photons emitted by the DLCZ quantum memory at 780 nm to the telecommunication wavelength of 1552 nm. We achieved a maximum signal-to-noise ratio of 80 for a mean input photon number of 1, allowing us to show significant non-classical correlations between the heralding and converted photons via the violation of the Cauchy-Schwarz inequality. To address the second limitation, we demonstrated the first experimental steps towards the realization of a temporally multiplexed DLCZ-type quantum repeater node. We showed active control of the spin-waves created in our quantum memory by means of an external magnetic field gradient inducing an inhomogeneous broadening of the atomic hyperfine levels. Acting on this gradient allows active dephasing and rephasing of individual spin-waves, enabling spin-wave creation in multiple temporal modes and read out a specific time-bin only. We showed that the active rephasing technique preserves the non-classical statistics of the heralded photons via the observation of anti-bunching. We then created spin-waves in two temporal modes and demonstrated selective read-out of only one of them with a selectivity up to 92%. All these results pave the way towards the realization of future temporally multiplexed quantum repeater nodes based on the DLCZ protocol. Les memòries quàntiques òptiques son dispositius importants en el camp científic de la informació quàntica. En particular, són peces fonamentals de les estructures de repetidors quàntics, les quals han estat proposades per tal d’incrementar la distància en la comunicació quàntica més enllà dels límits imposats per les pèrdues en fibres òptiques. En aquesta tesi mostrem experiments duts a terme amb una memòria quàntica basada en àtoms freds. Ens hem centrat en dos aspectes importants que són rellevants a l’hora d’usar les memòries com a nodes de repetidors quàntics: la connectivitat cap a la xarxa de fibres òptiques i l’habilitat d’operar amb multiplexació temporal. La part central del treball presentat en aquesta tesi és la implementació d’una memòria quàntica basada en la dispersió Raman espontània, seguint el protocol de Duan, Lukin, Cirac i Zoller (DLCZ). La memòria és implementada en un conjunt d’àtoms de 87Rb en una trampa òptico-magnètica. Excitacions individuals col·lectives d’espins atòmics (ones d’espín) són creades de manera anunciada, abans de ser recuperades en una conversió cap a fotons individuals amb fortes correlacions no-clàssiques. En el nostre sistema vam mostrar mesures de la funció de correlació creuada de segon ordre amb valors de fins a 200, una eficiència de recuperació intrínseca dins la cambra experimental de fins a un 44% i un temps de vida de la memòria de 55 µs. Les realitzacions actuals de memòries quàntiques DLCZ presenten varies limitacions, les quals redueixen la distància màxima que els repetidors quàntics basats en aquests sistemes poden assolir. Nosaltres n’hem adreçat parcialment dues d’elles. La primera és originada per l’alta absorció en fibres òptiques de la longitud d’ona de 780 nm. La segona té a veure amb el fet que altres experiments actuals només permeten la creació d’ones d’espín en un únic mode temporal, limitant el ritme de la generació d’entrellaçament en protocols de repetidors quàntics. Una bona solució per mitigar la primera limitació és traslladar la longitud d’ona dels fotons individuals, cap a la banda C de telecomunicacions en la que l’absorció és mínima, preservant les seves característiques quàntiques. Per això, vam demostrar l’operació d’una interfície fotònica quàntica d’estat sòlid amb un soroll ultra-baix basada en una guia d’ones integrada en un cristall PPLN. Vam convertir fotons individuals anunciats emesos per la memòria quàntica DLCZ a 780 nm cap a la longitud d¿ona de telecomunicacions de 1552 nm. Vam aconseguir una relació senyal-soroll màxima de 80 per a un nombre mitjà incident de fotons de 1, permetent-nos mostrar correlacions no-clàssiques significatives entre el fotó anunciat i el convertit, mitjançant la violació de la desigualtat de Cauchy-Schwarz. Per tal d’adreçar la segona limitació, vam demostrar els primers passos experimentals cap a la realització d’un node de repetidor quàntic de tipus DLCZ amb multiplexació temporal. Vam mostrar el control actiu d’ones d’espín creades a la nostra memòria quàntica, utilitzant un gradient de camp magnètic extern que indueix un eixamplament inhomogeni dels nivells atòmics hiperfins. Actuar en aquest gradient permet el desfasament i refasament actiu d’ones d’espín individuals, permetent crear ones d’espín en múltiples modes temporals i llegir només un mode temporal específic. Vam mostrar que la tècnica de refasament actiu preserva les estadístiques no-clàssiques dels fotons anunciats a través de l’observació d’anti-agrupament. Seguidament vam crear ones d'espín en dos modes temporals i vam demostrar la lectura selectiva de només un mode amb una selectivitat de fins a un 92%. Tots aquest resultats obren la porta a la realització de futurs nodes de repetidors quàntics amb multiplexació temporal basats en el protocol DLCZ.
This PhD thesis is in the scope of experimental quantum communication. It deals with correlated photon pairs of which one photon is stored in a solid state device, while the other photon is at telecom wavelength. Quantum correlation between a photon at telecom wavelength and a photon stored in a quantum memory is an important resource for future applications like quantum repeaters, allowing the transmission quantum states over long distances. During the first part of this thesis, a novel photon pair source has been developed, based on spontaneous parametric downconversion (SPDC) inside a bow-tie cavity. SPDC is a non-linear process which splits a pump photon sporadically into two correlated photons, called signal and idler photon. The source used in this work has been designed to be compatible with a solid state quantum memory based on a Praseodymium doped crystal, using the atomic frequency comp (AFC) protocol. This material has shown promising properties for classical light storage. However, it features a small storage bandwidth of 4 MHz at 606 nm, which sets stringent requirements for the photons to be stored. To match these requirements the SPDC process takes place inside a bowtie cavity which is resonant with the created signal and idler photons. The difference between storage wavelength and telecom wavelength (1436 nm in our case) leads to widely non-degenerate photon pairs. These double resonance leads to a strong clustering effect, which suppresses a high number of redundant spectral modes. The created photon spectrum is investigated carefully and consists of three clusters with few well separated modes. The width of each mode is around 2 MHz and matches the requirement for the quantum memory. Single mode operation was achieved by placing an additional Fabry-Perot cavity in the idler field at 1436 nm. This resulted in the demonstration of the narrowest photon pairs consisting of a spectral single mode, created by SPDC to date. In the second part of the thesis, heralded single photons at 606 nm were created by the detection of a photon at 1436 nm. These heralded photons were then stored as collective optical excitations in a praseodymium crystal, using the AFC scheme. Non-classical correlation between the heralding photon and the stored and retrieved photons were observed for storage time up to 4 µs, 20 times longer than achieved in previous solid state quantum memory experiments. Further development on the source, led to improved results, including an increase of coincidence count rate by one order of magnitude and a heralding efficiency of 28 %. The single photon nature of the heralded photon was also measured directly by showing strong antibunching of the 606 nm signal field. These improvements made the created photons compatible with the storage in the spin state of the praseodymium level scheme, using the full AFC protocol. That enabled an extended storage time of 11 µs with on demand readout of the stored photon. The last part of the thesis explores another important resource for the distribution of quantum states with a quantum repeater, entanglement between the created photon pairs. Here we show a rather new approach of entanglement, which is well suited for narrow band photons based on frequency bins. We take advantage of the fact that the source naturally creates several energy correlated well separated frequency modes. In order to show the coherent superposition of the frequency modes, we use electro-optical modulators to coherently mix them. We could show high-visibility two-photon interference fringes, a strong indicator for entanglement in the frequency domain. The results presented in this thesis open the door for the demonstration of entanglement between a solid-state spin-wave quantum memory and a photon at telecom wavelength. This represents an important step for the realization of quantum repeaters using solid state resources. Esta Tesis doctoral se encuentra en el área de la comunicación cuántica experimental. Trata de pares de fotones de los cuales uno está almacenado en una memoria cuántica de estado sólido y su pareja es compatible con redes telecom. Las correlaciones cuánticas entre un fotón telecom y un fotón almacenado en una memoria cuántica son un recurso importante para aplicaciones del futuro como un repetidor cuántico, que permite la transmisión de un estado cuántico hacia distancias largas. Durante la primer parte de la tesis, se ha desarrollado una fuente de fotones nueva basada en la conversión paramétrica espontanea (SPDC). SPDC es un proceso no lineal que divide esporádicamente un fotón de alta frecuencia en dos fotones correlacionados de baja frecuencia dentro de un rango de varios centenares de GHz, llamados fotones signal y idler. La fuente es compatible con una memoria cuántica de estado sólido basada en un cristal dopado con iones de praseodimio, usando el protocolo de pinta de frecuencias atómica (AFC). Este material ha demostrado propiedades extraordinarias para el almacenamiento de luz coherente. Sin embargo, ofrece un ancho de banda muy limitado de 4 MHz alrededor de una longitud de onda de 606 nm para el almacenamiento. Esto pone requisitos rigurosos a los fotones creados. Para cumplir con estos requisitos el proceso de SPDC se encuentra dentro de una cavidad de configuración ¿bow-tie¿. La cavidad es resonante con los fotones de signal y los de idler, que tienen longitudes de onda diferentes, que induce pares de fotones extensamente no-degenerados. Esta resonancia doble induce un fuerte efecto de agrupación de modos espectrales, que evita un gran número de modos redundantes. El espectro de los fotones creados se ha investigado detenidamente y contiene tres grupos con pocos modos espectrales. La anchura de cada modo es 2 MHz y cumple con los requisitos de la memoria cuántica. El filtraje de un modo único se realiza con una cavidad de Fabry-Perot adicional. El resultado es la demonstración de los pares de fotones más estrechos en un modo espectral individual creados por SPDC. En la segunda parte de la tesis se crean fotones individuales de 606nm anunciados por la detección de un fotón de 1436 nm. Estos fotones anunciados se almacenan como excitación colectiva óptica en un cristal de praseodimio usando el protocolo de AFC. Correlaciones no-clásicas entre el fotón almacenado y el fotón anunciante se observan hasta una duración de almacenado de 4 µs, 20 veces más largo que lo conseguido en experimentos previos con una memoria cuántica de estado sólido. Con el desarrollo posterior de la fuente se logró una tasa de coincidencia un orden de magnitud más alta y una eficiencia de anunciado del 28 %. La naturaleza del fotón individual anunciado se demostró por medido del "antibunching" del campo signal. Estos avances hicieron que los fotones creados fueran compatibles con el almacenamiento en el estado de spin del cristal de praseodimio usando el protocolo completo de AFC. Esto permitió que la duración de almacenamiento fuera extendida a 11 µs y también una lectura en demanda. La última parte de la tesis explora entrelazamiento en frecuencia entre los pares de fotones creados. Es un tipo de entrelazamiento, aún poco investigado, basado en los modos espectrales, que es muy conveniente para los fotones de banda estrecha. Tomamos la ventaja de que la fuente crea varios modos de frecuencias separados y correlacionados en energía. Para demonstrar una superposición coherente de los modos de frecuencia usamos moduladores electro-ópticos para mezclarlos coherentemente. Demostramos franjas de interferencia entre dos fotones con una alta visibilidad, un fuerte indicador del entrelazamiento en frecuencia.
(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 efici
(English) Quantum repeaters are the foundation of future long-distance quantum networks. In most architectures, their functional core is constituted by quantum memories, which are devices that can store and re-emit photonic quantum information on-demand. The goal of this thesis is to progress towards efficient quantum repeater nodes enabling quantum correlations between telecom photons and matter qubits. To these ends, we performed three main experiments. In our first work, we built a solid-state entanglement photon source with embedded storage capabilities. This emissive quantum memory was implemented in a Pr3+:Y2SiO5 crystal, by means of the atomic frequency comb (AFC) protocol. Thanks to the AFC, we were able to adapt the Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) protocol, initially conceived for cold atoms, to a solid-state ensemble. This experiment proved that we can produce light-matter entanglement between a heralding photon, at 606 nm, and a spin-wave excitation delocalized inside the ensemble. The matter excitation could be read on-demand at a later time with a read pulse, and mapped as a second photon, at 606 nm as well, emitted by the memory. Quantum correlations between the two photons were measured, enabling the violation of a Bell inequality, thus demonstrating the presence of entanglement. The read-out efficiency of this experiment was low, 1.6%, but solutions were identified to increase this value. In the second experiment, we laid the groundwork for the quantum frequency conversion (QFC) of these photons to the telecom band. The long duration of these photons, up to 1 µs, makes their conversion with high signal-to-noise ratio (SNR) challenging. The conversion from the visible 606 nm wavelength to the telecom regime (1552 nm) was achieved by difference-frequency generation (DFG) in a PPLN waveguide using a strong pump field at 994 nm. A proof of principle with weak coherent pulses showed that we can convert µs-long photons with the low heralding efficiency of the previous experiment with a SNR around 2.6. This sets the stage for interfacing an AFC-DLCZ memory, working at 606 nm, with the telecom network and with material systems working at a different wave length. Finally, in the last experiment, we implemented an AFC impedance-matched cavity (IMC) storage experiment. It has been demonstrated theoretically and experimentally that the IMC enhances the storage and read-out efficiency of the AFC protocol. We harnessed this cavity to store weak coherent Gaussian pulses with up to 62% efficiency. Moreover, we stored weak coherent time-bin qubits in the same system, achieving 52% efficiency and, with an additional analysis carried out by means of an unbalanced Mach-Zehnder AFC-based interferometer, assessing a measured fidelity of 95% for the retrieved qubit, leading to a quantum memory fidelity compatible with 100%, within uncertainty. We additionally studied the influence of slow-light effects in our crystal, confirming that they lead to a reduction of cavity bandwidth by two orders of magnitude. Moreover, the AFC storage time was extended up to 50 µs, to certify that the efficiency enhancement holds for different combs. The achievements of this thesis represent the state of the art for the AFC efficiency and for qubit storage in solid-state systems, and pave the way towards efficient quantum memories. In addition, we reported the first demonstration of a solid-state photon pair source of entangled photons with embedded solid-state multimode memory. The results accomplished by this last AFC-DLCZ experiment in terms of heralding efficiency make it possible to interface it with our quantum frequency conversion experiment. Indeed, the QFC experiment, combined with the AFC-DLCZ one, enables to establish a quantum node and to interface it with different kind of nodes via conversion to the telecom band. (Español) Los repetidores cuánticos son el fundamento de las futuras redes cuánticas de larga distancia. En la mayoría de las arquitecturas, su núcleo funcional está constituido por memorias cuánticas, dispositivos que pueden almacenar y reemitir información fotónica cuántica bajo demanda. El objetivo de esta tesis es avanzar hacia nodos eficientes de repetidores cuánticos que permitan crear correlaciones cuánticas entre fotones de telecomunicaciones y qubits materiales. Con estos fines, llevamos a cabo tres experimentos principales. En nuestro primer trabajo, construimos una fuente en estado sólido de fotones entrelazados con capacidades de almacenamiento integradas. Esta memoria cuántica emisiva se implementó en un cristal de Pr3+:Y2SiO5, mediante el protocolo del peine atómico de frecuencia (AFC). Gracias al AFC pudimos adaptar el protocolo Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ), concebido para átomos fríos, a un ensamble de estado sólido. Este experimento demostró que podemos producir entrelazamiento de materia y luz entre un fotón mensajero, a 606 nm, y una excitación de onda de espín dentro del material. En un momento posterior, la excitación de la materia se transfirió a un segundo fotón a 606 nm, emitido por la memoria, a través de un pulso de lectura. Se midieron las correlaciones cuánticas entre los dos fotones, lo que permitió la violación de una desigualdad de Bell, demostrando así la presencia de entrelazamiento. La eficiencia fue baja, un 1,6%, pero se identificaron soluciones para aumentar este valor. En el segundo experimento, abrimos el camino para la conversión cuántica de frecuencia (QFC) de estos fotones a la banda de telecomunicaciones. La larga duración de estos fotones, de hasta 1 µs, hace que su conversión con una alta relación señal-ruido (SNR) sea un desafío. La conversión desde 606 nm a 1552 nm se logró mediante la generación de diferencia de frecuencia (DFG) en una guía de ondas PPLN utilizando un fuerte campo de bombeo a 994 nm. Una prueba con pulsos coherentes débiles (PCDs) mostró que podemos convertir fotones de unos µs, dada la eficiencia de anuncio del experimento anterior, con una SNR de 2,6. Esto prepara el escenario para interconectar una memoria AFC-DLCZ, que funciona a 606 nm, con la red de telecomunicaciones (1530 nm – 1565 nm) y con sistemas materiales que funcionan a una longitud de onda diferente. Finalmente, en el último experimento, implementamos el protocolo AFC asistido por una cavidad con impedancia adaptada (IMC). Ha sido demostrado anteriormente que la IMC mejora la eficiencia del protocolo AFC. Usamos la cavidad para almacenar PCDs con una eficiencia de hasta el 62%. En el mismo sistema, almacenamos qubits codificados en tiempo constituidos por PCDs, logrando una eficiencia del 52% y, con un análisis realizado por medio de un interferómetro Mach-Zehnder basado en el AFC, evaluando una fidelidad del 95% para el qubit emitido, y una fidelidad de la memoria compatible con el 100%. Además, estudiamos la influencia del efecto de luz lenta en nuestro cristal y concluimos que conlleva una reducción del ancho de banda de la cavidad de dos órdenes de magnitud. Finalmente, el tiempo de almacenamiento del AFC se extendió hasta 50 µs, para certificar que la mejora de la eficiencia se mantiene para diferentes AFCs. Los logros de esta tesis son la vanguardia, en cuanto a eficiencia, para las memorias basadas en el AFC y para el almacenamiento de qubits en sistemas de estado sólido, y abren paso hacia las memorias cuánticas eficientes. Además, hemos hecho la primera demostración de una fuente de estado sólido de parejas de fotones entrelazados que además funciona como memoria multimodo de estado sólido integrada. Los resultados del experimento AFC-DLCZ en términos de eficiencia de anuncio hacen posible conectarlo con nuestro experimento de QFC. La combinación de los dos permite establecer un nodo cuántico y conectarlo con diferentes tipos de nodos mediante la conversión a la banda de telecomunicaciones.