Optical quantum memories (QMs) are devices that allow the storage and retrieval of a quantum state of light in a programmable fashion. They are an essential building block in the field of quantum information science as several of its applications, such as long distance quantum communication and quantum computing, rely on the existence of such devices. In the field of quantum communication, QMs are crucial to develop quantum repeater architectures as they provide ways to overcome the problems of decoherence and photon loss in fiber networks. On top of that they serve as synchronization devices between different quantum probabilistic processes, namely quantum entanglement, enabling scalability of quantum information distribution. Rare earth ions embedded within crystals proved to be among the best solid state platforms where to implement such devices owing to their remarkable optical coherence properties, which would allow QMs to reach long storage times. In this thesis we investigate nuclear magnetic resonance (NMR) based techniques to push the storage time of a quantum memory based on a Pr3+:Y2SiO5 (Pr:YSO) crystal beyond the limits imposed by the spin inhomogeneous broadening. We describe the realization and characterization of a new setup which allows us to apply radio frequency (RF) pulses to the Pr:YSO crystal in a cryogenic environment, enabling the extension of the storage time capability of a quantum memory, based on the atomic frequency comb (AFC) storage protocol, through spin echo techniques. We demonstrate a storage time enhancement from ≈ 20 μs to more than 1.5 ms for classical light pulses, and extend the spin-wave storage time capability of the AFC protocol as well at the few photon level, for the first time in Pr:YSO crystals. The results obtained in this thesis open perspectives for long-lived storage of single photon qubits in a Praseodymium based quantum memory, which currently holds the record for classical light storage in any system.
Le memorie quantistiche (MQ) ottiche sono dispositivi che permettono la conservazione ed il recupero di uno stato quantistico fotonico in modo programmabile. Costituiscono un elemento essenziale nel campo della scienza dell'informazione quantistica in quanto molte applicazioni, come la comunicazione quantistica a lungo raggio e la computazione quantistica, si basano sull'esistenza di tali dispositivi. In comunicazione quantistica, le MQ sono fondamentali per lo sviluppo di ripetitori quantistici, in quanto permettono di superare i problemi relativi alla decoerenza e alla perdita di fotoni nelle reti di fibre ottiche. Servono inoltre per sincronizzare diversi processi quantistici, consentendo la scalabilità nella distribuzione dell'informazione. Gli ioni di terre rare incorporati nei cristalli si sono dimostrati tra le migliori piattaforme a stato solido in cui implementare tali dispositivi grazie alle loro importanti proprietà di coerenza ottica, che possono permettere alle MQ di raggiungere lunghi tempi di memorizzazione. Questa tesi volge all'indagine di tecniche ispirate alla risonanza magnetica nucleare per aumentare il tempo di memorizzazione di una MQ oltre i limiti imposti dall'allargamento disomogeneo delle transizioni di spin. La MQ è realizzata in un cristallo di Pr3+:Y2SiO5 (Pr:YSO) e l'informazione codificata nell'impulso luminoso viene memorizzata con tecniche di spin echo mediante un protocollo denominato "atomic frequency comb" (AFC). Inoltre, questa tesi descrive la realizzazione e caratterizzazione di un nuovo setup che consente la focalizzazione di impulsi a radiofrequenza sul cristallo in un ambiente criogenico. Tali impulsi a radiofrequenza consentono un aumento del tempo di memorizzazione da ≈ 20 μs a più di 1.5 ms per impulsi di luce classica, ed un estensione del tempo di memorizzazione del protocollo AFC anche a livello di pochi fotoni, per la prima volta in un cristallo di Pr:YSO. I risultati ottenuti aprono prospettive per la conservazione a lungo termine di singoli fotoni in una MQ basata su Praseodimio, che attualmente detiene il record di tempo di memorizzazione per informazione codificata in luce classica.
Spin rephasing techniques for long-lived solid-state quantum memories
VALENTINI, MARCO
2017/2018
Abstract
Optical quantum memories (QMs) are devices that allow the storage and retrieval of a quantum state of light in a programmable fashion. They are an essential building block in the field of quantum information science as several of its applications, such as long distance quantum communication and quantum computing, rely on the existence of such devices. In the field of quantum communication, QMs are crucial to develop quantum repeater architectures as they provide ways to overcome the problems of decoherence and photon loss in fiber networks. On top of that they serve as synchronization devices between different quantum probabilistic processes, namely quantum entanglement, enabling scalability of quantum information distribution. Rare earth ions embedded within crystals proved to be among the best solid state platforms where to implement such devices owing to their remarkable optical coherence properties, which would allow QMs to reach long storage times. In this thesis we investigate nuclear magnetic resonance (NMR) based techniques to push the storage time of a quantum memory based on a Pr3+:Y2SiO5 (Pr:YSO) crystal beyond the limits imposed by the spin inhomogeneous broadening. We describe the realization and characterization of a new setup which allows us to apply radio frequency (RF) pulses to the Pr:YSO crystal in a cryogenic environment, enabling the extension of the storage time capability of a quantum memory, based on the atomic frequency comb (AFC) storage protocol, through spin echo techniques. We demonstrate a storage time enhancement from ≈ 20 μs to more than 1.5 ms for classical light pulses, and extend the spin-wave storage time capability of the AFC protocol as well at the few photon level, for the first time in Pr:YSO crystals. The results obtained in this thesis open perspectives for long-lived storage of single photon qubits in a Praseodymium based quantum memory, which currently holds the record for classical light storage in any system.| File | Dimensione | Formato | |
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