Spectral multiplexing of telecom emitters with stable transition frequency

Abstract

In a quantum network, coherent emitters can be entangled over large distances using photonic channels. In solid-state devices, the required efficient light-emitter interface can be implemented by confining the light in nanophotonic structures. However, fluctuating charges and magnetic moments at the nearby interface then lead to spectral instability of the emitters. Here, we avoid this limitation when enhancing the photon emission up to 70(12)-fold using a Fabry-Perot resonator with an embedded 19-micrometer-thin crystalline membrane, in which we observe around 100 individual erbium emitters. In long-term measurements, they exhibit an exceptional spectral stability of <0.2 megahertz that is limited by the coupling to surrounding nuclear spins. We further implement spectrally multiplexed coherent control and find an optical coherence time of 0.11(1) milliseconds, approaching the lifetime limit of 0.3 milliseconds for the strongest-coupled emitters. Our results constitute an important step toward frequency-multiplexed quantum-network nodes operating directly at a telecommunication wavelength.

Der Weg zum Quanteninternet

“…Wir setzten dazu Erbium‐Dotieratome in einer dünnen Kristallscheibe aus Yttrium‐Orthosilikat (YSO) ein, der Aufbau entspricht im Prinzip Abbildung 3b – nur muss man sich nun mehrere Dotieratome in dem Kristall denken. Abbildung 4 zeigt das Resultat [13]. Man beobachtet nur bei bestimmten Verstimmungen der anregenden Laserpulse ein Fluoreszenzsignal – nämlich immer dann, wenn man resonant ein einzelnes Dotieratom anregt; diese Atome sind in Abbildung 4 symbolisiert durch Kugeln unterschiedlicher Farbe.…”

“…Da Erbium besonders schmalbandige Übergänge aufweist, ist es in diesem System somit möglich, mehrere hundert Dotieratome selektiv zu adressieren und ihren Quantenzustand über die individuelle Frequenz zu kontrollieren [13, 15]. Gelingt es in der Zukunft, zwischen den Qubits innerhalb desselben Resonators noch eine an‐ und abschaltbare Wechselwirkung zu etablieren, dann verspricht dies, Verschränkung über große Distanzen und mit hoher Rate zu erzeugen.…”

“…Entsprechend benötigt man einen höheren Gütefak tor, Q 10 7 , um eine effiziente Licht MaterieSchnittstelle zu implementie ren. Dies wurde sowohl mit Atomen im Vakuum [2] als auch kürzlich in unserer Gruppe mit ErbiumDotierato men [13] demonstriert.…”

“…Abbildung 2 zeigt die aktuell am besten untersuchten Emitter über der Kurve des Absorptionsver lusts in Glasfasern: RubidiumAtome im Vakuum (grün), Farbzentren (NVZentren) in Diamant (blau) und Seltenerd Dotieratome am Beispiel von Erbium (rot). Es stellt sich heraus, dass nur letztere einen kohärenten optischen Über gang [13] im optimalen Frequenzbereich aufweisen. Alle anderen Qubits erfordern über größere Distanzen hingegen den Einsatz von optischer Frequenzkonver sion, also eine Umwandlung der Wellenlänge einzelner Photonen durch nichtlineare Optik in die geeignete Telekommunikations wellenlänge.…”

An L-band emitter with quantum memory in silicon

“…However, the former shows a very long radiative lifetime of about 1−2 ms 42,43 , which can be decreased 10-fold with integration inside silicon waveguides 44 . Moreover, emission enhancement up to 70-fold was demonstrated by embedding erbium ions in a Fabry-Perot resonator 45 . The radiative lifetime of ensemble G-centres was reported to be 5.9 ns 46 , and a ~40 times enhancement in the PL intensity was achieved by resonant coupling to a dielectric meta-surface 47 .…”