(English) The future quantum Internet will allow the transfer of quantum states between remote locations. However, bridging large distances is a challenging task due to losses in optical fibres. A promising approach to reach continental distances is based on quantum repeaters, where quantum entanglement is created and distributed between distant quantum memories in a heralded fashion. Such a heralding signal should be compatible with the already deployed telecommunication infrastructure, i.e. it should consist of quantum states of light in the telecommunication regime travelling through optical fibres. On top of this, a multiplexed operation will largely reduce the entanglement generation time. The specific approach followed in this thesis consists of a hybrid system that combines sources of telecom heralded single photons and multimode solid-state quantum memories based on rare-earth doped crystals. The objective of this thesis is the distribution of quantum states along remote distances, either by storing one qubit in one quantum memory for long enough while the heralding photon travels through a telecom fibre, by teleporting an arbitrary qubit onto a distant matter qubit or by creating entanglement between remote quantum memories. Thanks to the intrinsic temporal multimodality of our system, the repetition rate of these experiments is decoupled from the distance being bridged. The core of my efforts consisted on building and operating telecom heralded single photon sources based on cavity enhanced spontaneous parametric down conversion (cSPDC). I was also involved on conceiving and implementing several enabling technologies to allow for the creation, distribution and verification of quantum states. In a first project it was possible to generate energy-time entangled photon pairs by increasing the coherence time of the laser used to pump the cSPDC source. We then stored one of the photons for up to 47.7us in a spin wave Praseodymium doped quantum memory with on-demand read out. The entanglement between the telecom photon and the stored photon was successfully verified in all the explored scenarios using the Franson scheme. For this purpose, I built and stabilized a fibre-based unbalanced Mach-Zehnder interferometer with a length difference between arms of 85m. In a second experiment we performed multiplexed quantum teleportation from the telecom photon to the solid-state memory. We took advantage of the telecom wavelength featured by one of the energy-time entangled qubits and we sent it through a 1km long optical fibre. After travelling through that distance it was jointly measured with a second qubit. The state of that second qubit was then teleported onto the quantum memory that was initially storing the second entangled qubit. The storage time was enough to allow for further processing of the teleported state, which consisted of a unitary transformation based on the result of the remote joint measurement. Finally, in a third experiment we generated telecom heralded entanglement between remote solid-state multimode quantum memories. I first worked on the indistinguishability of the photon pairs produced by two cSPDC sources. I then mixed the generated telecom qubits in a beam splitter (BS) such that a detection event after this BS heralded the creation of entanglement between the two quantum memories in the photon number basis. This way of creating entanglement, together with its verification, is sensitive to the relative phase of the qubits interfering at the BSs. Along these lines, I also worked on stabilizing the length of the optical fibres involved in this experiment, which in the end consisted of a ~75m long interferometer. These results represent the state of the art in terms of scalability for quantum repeaters using multimode memories and show that our system has a huge potential to enable the creation and transfer of quantum states over large distances. (Español) El futuro Internet cuántico permitirá transmitir estados cuánticos entre localizaciones remotas. Sin embargo, alcanzar largas distancias es una tarea complicada debido a pérdidas en las fibras ópticas. Un método prometedor para alcanzar distancias continentales se basa en repetidores cuánticos, donde entrelazamiento cuántico se crea y distribuye entre memorias cuánticas (MCs) distantes de forma anunciada. Dicha señal de anuncio debe ser compatible con la ya instalada infraestructura de telecomunicaciones; es decir, debería consistir en estados cuánticos de luz en el rango de las telecomunicaciones (RTel) viajando a través de fibras ópticas. Además, trabajar de forma multiplexada reducirá significativamente el tiempo de creación de entrelazamiento. En concreto, el método seguido en esta tesis consiste en un sistema híbrido que combina fuentes de fotones únicos anunciados en el RTel y MCs multimodales de estado sólido, basadas en cristales dopados con tierras raras. El objetivo de esta tesis es distribuir estados cuánticos a lo largo de distancias remotas, ya sea almacenando un qubit en una MC durante suficiente tiempo mientras el fotón anunciador viaja a través de fibra óptica, teleportando un qubit arbitrario a un qubit material distante o bien creando entrelazamiento entre MCs remotas. Gracias a la multimodalidad temporal intrínseca de nuestro sistema, la tasa de repetición de estos experimentos no depende de la distancia a cubrir. Mis esfuerzos se centraron en construir y operar fuentes de fotones individuales anunciados en el RTel, basadas en conversión paramétrica descendente espontánea mejorada por cavidad (CPDEc). También trabajé en concebir e implementar varias tecnologías que permitieron la creación, distribución y verificación de estados cuánticos. En un primer trabajo, fue posible generar parejas de fotones entrelazados en energía-tiempo gracias a haber aumentado el tiempo de coherencia del láser que usamos para bombear la fuente CPDEc. Almacenamos uno de los fotones hasta 47.7 us en una MC bajo demanda basada en onda de espín, dopada con Praseodimio. Verificamos el entrelazamiento en todos los escenarios explorados usando el esquema de Franson. Para ello, construí y estabilicé un interferómetro Mach-Zehnder, hecho de fibra óptica y con una diferencia de longitud entre sus brazos de 85 m. En un segundo experimento realizamos teleportación cuántica multimodal desde un fotón en el RTel a una MC. Nos aprovechamos de la longitud de onda en las telecomunicaciones de uno de los fotones entrelazados y lo mandamos a través de una fibra óptica de 1 km. Tras viajar esa distancia lo medimos conjuntamente con un segundo qubit. El estado de ese segundo qubit fue teleportado a la MC que almacenaba el segundo qubit entrelazado. El tiempo de almacenamiento fue suficiente para poder procesar el estado teleportado a través de una transformación unitaria basada en el resultado de la medición conjunta remota. Finalmente, en un tercer experimento generamos entrelazamiento entre MCs multimodales, de estado sólido a través de un anuncio en el RTel. Primero, me centré en hacer indistinguibles los fotones producidos por las fuentes CPDEc. Luego, pude combinar los qubits de telecomunicaciones en un divisor de haz (DH) de forma que la detección de un fotón después del DH anunciaría la creación de entrelazamiento entre las MCs en la base número de fotones. Este método para crear entrelazamiento, junto con su verificación, es sensible a la fase relativa de los qubits que interfieren en los DsH. Por ello, tuve que trabajar en estabilizar la longitud de las fibras ópticas involucradas que formaban un interferómetro de 75 m de longitud. Estos resultados representan el estado del arte en términos de escalabilidad en repetidores cuánticos que usan MCs multimodales y muestran que nuestro sistema tiene gran potencial para crear y transferir estados cuánticos a través de largas distancias.
(English) The future quantum Internet will allow the transfer of quantum states between remote locations. However, bridging large distances is a challenging task due to losses in optical fibres. A promising approach to reach continental distances is based on quantum repeaters, where quantum entanglement is created and distributed between distant quantum memories in a heralded fashion. Such a heralding signal should be compatible with the already deployed telecommunication infrastructure, i.e. it should consist of quantum states of light in the telecommunication regime travelling through optical fibres. On top of this, a multiplexed operation will largely reduce the entanglement generation time. The specific approach followed in this thesis consists of a hybrid system that combines sources of telecom heralded single photons and multimode solid-state quantum memories based on rare-earth doped crystals. The objective of this thesis is the distribution of quantum states along remote distances, either by storing one qubit in one quantum memory for long enough while the heralding photon travels through a telecom fibre, by teleporting an arbitrary qubit onto a distant matter qubit or by creating entanglement between remote quantum memories. Thanks to the intrinsic temporal multimodality of our system, the repetition rate of these experiments is decoupled from the distance being bridged. The core of my efforts consisted on building and operating telecom heralded single photon sources based on cavity enhanced spontaneous parametric down conversion (cSPDC). I was also involved on conceiving and implementing several enabling technologies to allow for the creation, distribution and verification of quantum states. In a first project it was possible to generate energy-time entangled photon pairs by increasing the coherence time of the laser used to pump the cSPDC source. We then stored one of the photons for up to 47.7us in a spin wave Praseodymium doped quantum memory with on-demand read out. The entanglement between the telecom photon and the stored photon was successfully verified in all the explored scenarios using the Franson scheme. For this purpose, I built and stabilized a fibre-based unbalanced Mach-Zehnder interferometer with a length difference between arms of 85m. In a second experiment we performed multiplexed quantum teleportation from the telecom photon to the solid-state memory. We took advantage of the telecom wavelength featured by one of the energy-time entangled qubits and we sent it through a 1km long optical fibre. After travelling through that distance it was jointly measured with a second qubit. The state of that second qubit was then teleported onto the quantum memory that was initially storing the second entangled qubit. The storage time was enough to allow for further processing of the teleported state, which consisted of a unitary transformation based on the result of the remote joint measurement. Finally, in a third experiment we generated telecom heralded entanglement between remote solid-state multimode quantum memories. I first worked on the indistinguishability of the photon pairs produced by two cSPDC sources. I then mixed the generated telecom qubits in a beam splitter (BS) such that a detection event after this BS heralded the creation of entanglement between the two quantum memories in the photon number basis. This way of creating entanglement, together with its verification, is sensitive to the relative phase of the qubits interfering at the BSs. Along these lines, I also worked on stabilizing the length of the optical fibres involved in this experiment, which in the end consisted of a ~75m long interferometer. These results represent the state of the art in terms of scalability for quantum repeaters using multimode memories and show that our system has a huge potential to enable the creation and transfer of quantum states over large distances. (Español) El futuro Internet cuántico permitirá transmitir estados cuánticos entre localizaciones remotas. Sin embargo, alcanzar largas distancias es una tarea complicada debido a pérdidas en las fibras ópticas. Un método prometedor para alcanzar distancias continentales se basa en repetidores cuánticos, donde entrelazamiento cuántico se crea y distribuye entre memorias cuánticas (MCs) distantes de forma anunciada. Dicha señal de anuncio debe ser compatible con la ya instalada infraestructura de telecomunicaciones; es decir, debería consistir en estados cuánticos de luz en el rango de las telecomunicaciones (RTel) viajando a través de fibras ópticas. Además, trabajar de forma multiplexada reducirá significativamente el tiempo de creación de entrelazamiento. En concreto, el método seguido en esta tesis consiste en un sistema híbrido que combina fuentes de fotones únicos anunciados en el RTel y MCs multimodales de estado sólido, basadas en cristales dopados con tierras raras. El objetivo de esta tesis es distribuir estados cuánticos a lo largo de distancias remotas, ya sea almacenando un qubit en una MC durante suficiente tiempo mientras el fotón anunciador viaja a través de fibra óptica, teleportando un qubit arbitrario a un qubit material distante o bien creando entrelazamiento entre MCs remotas. Gracias a la multimodalidad temporal intrínseca de nuestro sistema, la tasa de repetición de estos experimentos no depende de la distancia a cubrir. Mis esfuerzos se centraron en construir y operar fuentes de fotones individuales anunciados en el RTel, basadas en conversión paramétrica descendente espontánea mejorada por cavidad (CPDEc). También trabajé en concebir e implementar varias tecnologías que permitieron la creación, distribución y verificación de estados cuánticos. En un primer trabajo, fue posible generar parejas de fotones entrelazados en energía-tiempo gracias a haber aumentado el tiempo de coherencia del láser que usamos para bombear la fuente CPDEc. Almacenamos uno de los fotones hasta 47.7 us en una MC bajo demanda basada en onda de espín, dopada con Praseodimio. Verificamos el entrelazamiento en todos los escenarios explorados usando el esquema de Franson. Para ello, construí y estabilicé un interferómetro Mach-Zehnder, hecho de fibra óptica y con una diferencia de longitud entre sus brazos de 85 m. En un segundo experimento realizamos teleportación cuántica multimodal desde un fotón en el RTel a una MC. Nos aprovechamos de la longitud de onda en las telecomunicaciones de uno de los fotones entrelazados y lo mandamos a través de una fibra óptica de 1 km. Tras viajar esa distancia lo medimos conjuntamente con un segundo qubit. El estado de ese segundo qubit fue teleportado a la MC que almacenaba el segundo qubit entrelazado. El tiempo de almacenamiento fue suficiente para poder procesar el estado teleportado a través de una transformación unitaria basada en el resultado de la medición conjunta remota. Finalmente, en un tercer experimento generamos entrelazamiento entre MCs multimodales, de estado sólido a través de un anuncio en el RTel. Primero, me centré en hacer indistinguibles los fotones producidos por las fuentes CPDEc. Luego, pude combinar los qubits de telecomunicaciones en un divisor de haz (DH) de forma que la detección de un fotón después del DH anunciaría la creación de entrelazamiento entre las MCs en la base número de fotones. Este método para crear entrelazamiento, junto con su verificación, es sensible a la fase relativa de los qubits que interfieren en los DsH. Por ello, tuve que trabajar en estabilizar la longitud de las fibras ópticas involucradas que formaban un interferómetro de 75 m de longitud. Estos resultados representan el estado del arte en términos de escalabilidad en repetidores cuánticos que usan MCs multimodales y muestran que nuestro sistema tiene gran potencial para crear y transferir estados cuánticos a través de largas distancias.
(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.
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
As the reach of quantum technologies extends ever further in communication and information science, a reliable way of transferring quantum information between distant locations becomes ever more crucial. While photons are widely accepted as excellent carriers due to their speed and low decoherence, losses of transmission (in free space or fibre) and the impossibility of cloning quantum information still pose a great challenge. The quantum repeater architecture was suggested as a solution to both problems [1]. In a quantum repeater the information encoded in an input state is transferred to a new one through entanglement swapping, that is then sent on along the channel. In this work we present our advances towards the realisation of a quantum repeater. Our system of choice combines a solid-state quantum memory with a source of photon pairs. The memory is based on a Rare-Earth Doped crystal, where quantum information can be stored in Pr3+ ions as a collective excitation using the Atomic Frequency Comb technique. On demand retrieval of the information is realised by transferring the excitation to a long-lived spin state. Record values of storage times and retrieval efficiencies have been demonstrated in this system [2]. Entangled pairs of single photons are generated by parametric down conversion in a periodically poled crystal placed inside a bow-tie cavity. This allows us to generate narrow band photons pairs, where the signal is spectrally matched to the memory (606nm), while the idler is in the telecom band [3]. Such a configuration allows us to benefit from the high performance of the memory, that also allows for temporal [2] and frequency [4] multimodality, while at the same time overcoming the high optical losses of 606nm photons by pair generation of a telecom photon. The first stepping stone, progress towards which is presented in this work, is the successful demonstration of energy-time entanglement between the telecom idler photon and the signal photon, stored as spin-wave excitation. The entanglement of the original pair is maintained by the memory temporal multimodality. The entanglement analysis will be made through time-bin qubit analysers made of a fibre-based Mach-Zehnder interferometer, for the former, and a solid-state equivalent based on two AFC with different storage times, for the latter [5]. In this direction we have already doubled the efficiency of the AFC storage protocols, that will be beneficial to count rates and signal-to-noise ratio. With respect to [2], we also increased the spectral-matching between the source and the memory [4]. Our experiment will provide an increase in storage time of 3 orders of magnitude with respect to previous demonstrations, as well as introducing for the first time on-demand read-out in a highly multi-mode memory. Demonstration of the successful transfer of quantum information between the signal photon and the long-lived solid-state excitation will open the way to the demonstration of long-distance entanglement between individual nodes in a quantum network.
(English) Future networks for quantum communication will require a new form of technology in order to operate over long distances. The no-cloning theorem precludes the use of amplification, so quantum repeater schemes have been proposed to achieve long-distance quantum communication through the distribution of entanglement. A key device for this setup is a quantum memory, which is required in order to store entanglement and synchronise its distribution. Among the many physical systems than can be used as a quantum memory, rare-earth ion-doped crystals stand out due to their long coherence times and potential for multiplexing and integration. This thesis reports the use of one such system, Pr3+:Y2SiO5, as a quantum memory using the atomic frequency comb (AFC) protocol. Building on previous work, we improved the performance of the memory to be able to demonstrate light-matter entanglement with a telecommunications wavelength photon and the quantum memory, for both a bulk memory and an integrated version. To measure light-matter entanglement, we use photon pairs generated through cavity-enhanced spontaneous parametric down conversion, where one photon (the signal) is stored in the memory and the other (the idler) is at a telecommunications wavelength. These photon pairs exhibit energy-time entanglement, which we analyse in the time basis using fibre- and AFC-based Mach-Zehnder interferometers. In the first experiment, we demonstrate light-matter entanglement where the bulk quantum memory is used with on-demand retrieval via storage in a spin-wave. We measure interference fringes with average visibilities of 89(2)% for AFC storage, and 70(3)% for spin-wave storage, sufficient to demonstrate entanglement. This is the first such demonstration using an on-demand multimode solid-state memory and telecom photon. We show that entanglement is maintained for up to 47.7 µs of storage. These results were made possible through improvements in the AFC efficiency and the noise filtering. Furthermore, we perform on-demand storage and retrieval of up to 30 temporal modes. We take the next step towards implementing our system in a real world scenario by measuring entanglement over a distance. To do so, we send the idler photons through both optical fibre spools and deployed fibre in the metropolitan area of Barcelona, Spain, while the photon detection still occurs in the same lab. The resulting visibilities (80% or higher) demonstrate that the photonic qubit does not decohere during transmission through the optical fibre. We then decouple the photon creation and detection by measuring non-classical correlations between signal photons detected in the lab, and idler photons detected 16 km away (44 km in fibre) in a different location. The final experiment uses a fibre-integrated memory for light-matter entanglement. We use a Pr3+:Y2SiO5 crystal containing a Type I laser-written waveguide, interfaced directly with optical fibre. The fibre-integration allows for improved transmission and AFC efficiency compared to a free-space coupled waveguide memory. To analyse the performance of the memory, we demonstrate non-classical correlations for storage times up to 28 µs. We perform qubit tomography in the time basis for storage times of 3 and 10 µs, measuring two-qubit fidelities of 86(2)% and 86(4)%, respectively, demonstrating storage of entanglement. These experiments demonstrate the potential of our system for use as part of a quantum repeater, with many opportunities for further improvement to the storage time, efficiency, and multiplexing capability.
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. En el segundo caso, se ensayo una codificacion mas sofisticada y resistente a perturbaciones, que implico enfrentar una serie de desafios tecnologicos, pero que se presenta como una alternativa practica y escalable en distancia de transmision y velocidad. Se propuso un esquema hibrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicacion bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologias desarrolladas para trabajar especificamente en fibra optica, en un esquema con economia de recursos y distribucion tipo servidor-cliente. Asi, se obtuvo una configuracion en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados mas sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicacion son minimos. Esta alternativa combina diferentes caracteristicas deseables en una implementacion practica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.