Single rare earth ions for quantum computing nodes

Abstract

(English) Despite decades of research, practical quantum computing and long-distance quantum communication remain elusive, hindered by significant challenges in current platforms. Single rare earth ions (SREI) in the solid state offer a promising alternative, with potential to form quantum computing nodes containing around 100 highly connected qubits capable of photonic networking. Nanoparticles are ideal for this system, as they enable high doping concentrations for strong interactions while maintaining the required spectral distinguishability.

SREI experiments benefit from optical cavities that enhance emission via the Purcell effect. The open-access Fabry–Perot fiber cavity, formed by a fiber-tip micromirror and a planar or fiber mirror, is particularly versatile: a wide range of emitters can be integrated on the mirror surface, optical access is easy via the fiber, and three-dimensional tunability is possible. This flexibility has enabled studies across various quantum emitters and 2D materials.

This thesis presents our work developing the SREI platform using nanoparticles in fiber cavities. It begins with an introduction to quantum computing, quantum communication with quantum repeaters, and rare earth ions as a basis for quantum computers, along with an overview of our experimental design. A review of background knowledge follows, covering optical cavities, the Purcell effect, the optical Bloch equations, and single-photon light statistics.

The absence of commercial nanopositioners suitable for controlling our fiber cavity led us to design our own. This positioner enabled the first detection of single ions in nanoparticles. We studied the ⁴I15/2 → ⁴I13/2 transition at 1535 nm in 20 ppm erbium-doped 150 nm Y₂O₃ nanoparticles, and identified an ion with excellent spectral stability, a linewidth of 3.8(3) MHz, and a g(2)(0) compatible with a perfect single emitter.

We then developed a significantly improved second positioner with 2.5 pm RMS stability, 130 µm × 130 µm XY scan range, and MHz-rate cavity modulation, all at 1.65 K in a closed-cycle cryostat. The broad potential of fiber cavities enhances this device's impact, marking it as one of the thesis's main contributions.

Equipped with this improved positioner, we proceeded with a new experiment to detect interactions between single ions. We studied the ³H₄ → ¹1D₂ transition at 619 nm in two sets of praseodymium-doped Y₂O₃ nanoparticles, but were so far unable to observe any praseodymium emission in the cavity. To diagnose why this was happening, we performed additional experiments with a confocal microscope, which confirmed the presence of praseodymium in a majority of objects and found the absorption resonance near where we expected.

The thesis ends with conclusions and future directions, including emission shaping and a novel microscopy technique. A closing reflection on this work and recent breakthroughs in the field paints a promising future for quantum information technologies.

(Català) Malgrat dècades de recerca, la computació quàntica pràctica i la comunicació quàntica a llarga distància segueixen estant fora del nostre abast a causa dels grans reptes de les plataformes actuals. Els ions individuals de terres rares (SREI) en estat sòlid són una alternativa prometedora, amb el potencial de formar nodes de computació quàntica amb uns 100 qubits altament connectats i amb capacitat d'interconnexió fotònica. Les nanopartícules són ideals per a aquest sistema, ja que permeten altes concentracions d'ions que reforcen les interaccions sense comprometre la distingibilitat espectral.

Els experiments amb SREI es beneficien de les cavitats òptiques, que milloren l'emissió gràcies a l'efecte Purcell. La cavitat de fibra Fabry–Perot d'accés obert, formada per un micromirall a la punta d'una fibra i un mirall pla o de fibra, és especialment versàtil: permet integrar una àmplia varietat d'emissors en la superfície del mirall, ofereix un fàcil accés òptic a través de la fibra i es pot ajustar tridimensionalment. Aquesta flexibilitat ha permès l'estudi de diversos emissors quàntics i materials bidimensionals.

Aquesta tesi presenta el treball que hem realitzat per desenvolupar la plataforma SREI utilitzant nanopartícules en cavitats de fibra. Comença amb una introducció a la computació quàntica, la comunicació quàntica amb repetidors quàntics i els ions de terres rares com a base per a ordinadors quàntics, juntament amb una descripció del nostre disseny experimental. A continuació, es cobreixen els fonaments teòrics, incloent-hi les cavitats òptiques, l'efecte Purcell, les equacions de Bloch òptiques i les estadístiques de la llum d'un sol fotó.

La manca de nanoposicionadors comercials adequats per controlar la nostra cavitat de fibra ens va portar a dissenyar-ne un de propi. Aquest posicionador va permetre la primera detecció d'ions individuals en nanopartícules. En estudiar la transició ⁴I15/2 → ⁴I13/2 a 1535 nm en nanopartícules de Y₂O₃ de 150 nm de diàmetre dopades amb 20 ppm d'erbi, vam identificar un ió amb una exceŀlent estabilitat espectral, un ample de línia de 3.8(3) MHz, i un g(2)(0) compatible amb un emissor individual perfecte.

Després, vam desenvolupar un segon posicionador, significativament millorat, amb una estabilitat RMS de 2.5 pm, un rang d'escaneig XY de 130 µm × 130 µm, i una modulació de cavitat en el rang de MHz, tot això a 1.65 K en un criòstat de cicle tancat. El gran potencial de les cavitats de fibra augmenta l'impacte d'aquest dispositiu, convertint-lo en una de les principals contribucions d’aquesta tesi.

Amb aquest posicionador millorat, vam realitzar un nou experiment per detectar interaccions entre ions individuals. Vam estudiar la transició ³H₄ → ¹1D₂ a 619 nm en dos conjunts de nanopartícules de Y₂O₃ dopades amb praseodimi, però no vam poder observar cap emissió en la cavitat. Per diagnosticar el problema, vam dur a terme experiments addicionals amb un microscopi confocal, que va confirmar la presència de praseodimi en la majoria d'objectes i va trobar la ressonància d'absorció a prop de la freqüència esperada.

El capítol final presenta les conclusions i línies de recerca futures, incloent-hi la modulació de l'emissió i una nova tècnica de microscòpia. Una última reflexió sobre aquest treball i els avenços recents en el camp preveu un futur prometedor per a les tecnologies d'informació quàntica.

(Español) A pesar de décadas de investigación, la computación cuántica práctica y comunicación cuántica a larga distancia siguen sin estar a nuestro alcance debido a los grandes desafíos de las plataformas actuales. Los iones individuales de tierras raras (SREI) en estado sólido son una alternativa prometedora, con el potencial de formar nodos de computación cuántica con unos 100 qubits altamente conectados y con capacidad de interconexión fotónica. Las nanopartículas son ideales para este sistema, ya que permiten altas concentraciones de iones que fortalecen las interacciones sin comprometer la distinguibilidad espectral.

Los experimentos con SREI se benefician de las cavidades ópticas, que mejoran la emisión gracias al efecto Purcell. La cavidad de fibra Fabry–Perot de acceso abierto, formada por un microespejo en la punta de una fibra y un espejo plano o de fibra, es especialmente versátil: permite integrar una amplia variedad de emisores en la superficie del espejo, ofrece fácil acceso óptico a través de la fibra y se puede ajustar tridimensionalmente. Esta flexibilidad ha permitido el estudio de diversos emisores cuánticos y materiales bidimensionales.

Esta tesis presenta el trabajo que hicimos para desarrollar la plataforma SREI utilizando nanopartículas en cavidades de fibra. Comienza con una introducción a la computación cuántica, la comunicación cuántica con repetidores cuánticos y los iones de tierras raras como base para computadoras cuánticas, junto con una descripción de nuestro diseño experimental. A continuación se cubren los fundamentos teóricos, incluyendo cavidades ópticas, el efecto Purcell, las ecuaciones de Bloch ópticas y las estadísticas de luz de un solo fotón.

La falta de nanoposicionadores comerciales adecuados para controlar nuestra cavidad de fibra nos llevó a diseñar uno propio. Este posicionador permitió la primera detección de iones individuales en nanopartículas. Estudiamos la transición ⁴I15/2 → ⁴I13/2 a 1535 nm en nanopartículas de Y₂O₃ de 150 nm de diámetro dopadas con 20 ppm de erbio e identificamos un ión con excelente estabilidad espectral, un ancho de línea de 3.8(3) MHz, y un g(2)(0) compatible con un emisor individual perfecto.

Luego desarrollamos un segundo posicionador significativamente mejorado, con una estabilidad RMS de 2.5 pm, un rango de escaneo XY de 130 µm × 130 µm, y una modulación de cavidad en el rango de MHz, todo a 1.65 K en un criostato de ciclo cerrado. El amplio potencial de las cavidades de fibra aumenta el impacto de este dispositivo, convirtiéndolo en una de las principales contribuciones de esta tesis.

Con este posicionador mejorado, realizamos un nuevo experimento para detectar interacciones entre iones individuales. Estudiamos la transición ³H₄ → ¹1D₂ a 619 nm en dos conjuntos de nanopartículas de Y₂O₃ dopadas con praseodimio, pero hasta ahora no conseguimos observar ninguna emisión de praseodimio en la cavidad. Para diagnosticar el problema, realizamos experimentos adicionales con un microscopio confocal, que confirmó la presencia de praseodimio en la mayoría de los objetos y encontró la resonancia de absorción cerca de la frecuencia esperada.

La tesis termina con conclusiones y futuras líneas de investigación, incluyendo la modulación de la emisión y una nueva técnica de microscopía. Una reflexión final sobre este trabajo y los avances recientes en el campo presenta un futuro prometedor para las tecnologías de información cuántica.