Fotones de banda de telecomunicaciones indistinguibles de un solo ión Er en estado sólido

Área de la Ciencia:

• La comunicación cuántica
• Física del estado sólido
• Ciencias de la información cuántica

Sus antecedentes:

• Los defectos atómicos son cruciales para las redes de repetidores cuánticos.
• Los iones de tierras raras, especialmente Er3+, son prometedores para la comunicación cuántica de banda de telecomunicaciones debido a sus transiciones ópticas.
• La difusión espectral óptica ha obstaculizado la generación indistinguible de un solo fotón, limitando el desarrollo del nodo repetidor.

Objetivo del estudio:

• Para reducir significativamente la difusión espectral óptica en iones de tierras raras para aplicaciones de repetidores cuánticos.
• Para permitir la generación indistinguible de un solo fotón para la comunicación cuántica de larga distancia.

Principales métodos:

• Implantación de iones Er3+ en cristales CaWO4, elegidos por la simetría del sitio no polar, baja decoherencia de espín nuclear y ausencia de iones de tierras raras de fondo.
• Acoplamiento de iones implantados poco profundos a cavidades nanofotónicas con un alto factor Purcell.
• Caracterización de anchos de línea óptica, difusión espectral a largo plazo y tiempos de relajación de espín.

Principales resultados:

• Se logró una difusión espectral óptica significativamente reducida con anchos de línea óptica de escaneo único de 150 kHz y una difusión a largo plazo de 63 kHz.
• Interferencia de Hong-Ou-Mandel observada con una visibilidad del 80% entre fotones emitidos sucesivamente después de un retraso de 36 km.
• Tiempos de relajación de espín largo medidos (T1,s = 3,7 s, T2,s > 200 μs), con T2,s limitado por impurezas en lugar de espines nucleares.

Conclusiones:

• El sistema CaWO4 dopado con Er3+ desarrollado demuestra una difusión espectral óptica sustancialmente reducida, superando una limitación clave para los repetidores cuánticos.
• La generación indistinguible de fotones observada y los largos tiempos de coherencia de espín representan un avance significativo hacia las redes de repetidores cuánticos de banda de telecomunicaciones prácticas.