A protocol where entanglement between two atomic ensembles is created by coherent mapping of an entangled state of light, effectively separating the generation of entanglement and its storage, is reported. Developments in quantum information science1 rely critically on entanglement—a fundamental aspect of quantum mechanics that causes parts of a composite system to show correlations stronger than can be explained classically2. In particular, scalable quantum networks require the capability to create, store and distribute entanglement among distant matter nodes by means of photonic channels3. Atomic ensembles can play the role of such nodes4. So far, in the photon-counting regime, heralded entanglement between atomic ensembles has been successfully demonstrated through probabilistic protocols5,6. But an inherent drawback of this approach is the compromise between the amount of entanglement and its preparation probability, leading to intrinsically low count rates for high entanglement. Here we report a protocol where entanglement between two atomic ensembles is created by coherent mapping of an entangled state of light. By splitting a single photon7,8,9 and performing subsequent state transfer, we separate the generation of entanglement and its storage10. After a programmable delay, the stored entanglement is mapped back into photonic modes with overall efficiency of 17%. Together with improvements in single-photon sources11, our protocol will allow ‘on-demand’ entanglement of atomic ensembles, a powerful resource for quantum information science.

The integration of nanophotonics and atomic physics has been a long-sought goal that would open new frontiers for optical physics, including novel quantum transport and many-body phenomena with photon-mediated atomic interactions. Reaching this goal requires surmounting diverse challenges in nanofabrication and atomic manipulation. Here we report the development of a novel integrated optical circuit with a photonic crystal capable of both localizing and interfacing atoms with guided photons. Optical bands of a photonic crystal waveguide are aligned with selected atomic transitions. From reflection spectra measured with average atom number , we infer that atoms are localized within the waveguide by optical dipole forces. The fraction of single-atom radiative decay into the waveguide is Γ1D/Γ′≃(0.32±0.08), where Γ1D is the rate of emission into the guided mode and Γ′ is the decay rate into all other channels. Γ1D/Γ′ is unprecedented in all current atom–photon interfaces. The use of photonic crystals to trap atoms on a chip offers unique possibilities for atom–light interactions. Advancing towards this goal, the authors realize photonic crystal waveguides where the electronic transition frequencies of localized caesium atoms are aligned with the band edges of the waveguides.

We demonstrate entanglement distribution between two remote quantum nodes located 3 meters apart. This distribution involves the asynchronous preparation of two pairs of atomic memories and the coherent mapping of stored atomic states into light fields in an effective state of near maximum polarization entanglement. Entanglement is verified by way of the measured violation of a Bell inequality, and can be used for communication protocols such as quantum cryptography. The demonstrated quantum nodes and channels can be used as segments of a quantum repeater, providing an essential tool for robust long-distance quantum communication.

Heralded entanglement between collective excitations in two atomic ensembles is probabilistically generated, stored, and converted to single-photon fields. By way of the concurrence, quantitative characterizations are reported for the scaling behavior of entanglement with excitation probability and for the temporal dynamics of various correlations resulting in the decay of entanglement. A lower bound of the concurrence for the collective atomic state of 0.9+/-0.3 is inferred. The decay of entanglement as a function of storage time is also observed, and related to the local dynamics.

We report the experimental realization of an optical trap that localizes single Cs atoms $\ensuremath{\simeq}215\text{ }\text{ }\mathrm{nm}$ from the surface of a dielectric nanofiber. By operating at magic wavelengths for pairs of counterpropagating red- and blue-detuned trapping beams, differential scalar light shifts are eliminated, and vector shifts are suppressed by $\ensuremath{\approx}250$. We thereby measure an absorption linewidth $\ensuremath{\Gamma}/2\ensuremath{\pi}=5.7\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}0.1\text{ }\text{ }\mathrm{MHz}$ for the Cs $6{S}_{1/2}$, $F=4\ensuremath{\rightarrow}6{P}_{3/2}$, ${F}^{\ensuremath{'}}=5$ transition, where ${\ensuremath{\Gamma}}_{0}/2\ensuremath{\pi}=5.2\text{ }\text{ }\mathrm{MHz}$ in free space. An optical depth $d\ensuremath{\simeq}66$ is observed, corresponding to an optical depth per atom ${d}_{1}\ensuremath{\simeq}0.08$. These advances provide an important capability for the implementation of functional quantum optical networks and precision atomic spectroscopy near dielectric surfaces.

Optical pulses of 10-50-GHz repetition frequencies have been generated by rational harmonically mode locking a semiconductor fiber ring laser using cross-gain modulation by 10-GHz external double optical pulses. The output is pulsewidth-variable from 6.4 to 14 ps, wavelength-tunable from 1530 to 1560 nm, and remains relaxation-free even though the injected external optical pulses have large relaxation oscillation noise.