The distribution of quantum states over long distances is limited by photon loss. Straightforward amplification as in classical telecommunications is not an option in quantum communication because of the no-cloning theorem. This problem could be overcome by implementing quantum repeater protocols, which create long-distance entanglement from shorter-distance entanglement via entanglement swapping. Such protocols require the capacity to create entanglement in a heralded fashion, to store it in quantum memories, and to swap it. One attractive general strategy for realizing quantum repeaters is based on the use of atomic ensembles as quantum memories, in combination with linear optical techniques and photon counting to perform all required operations. Here the theoretical and experimental status quo of this very active field are reviewed. The potentials of different approaches are compared quantitatively, with a focus on the most immediate goal of outperforming the direct transmission of photons.

A critical requirement for diverse applications in quantum information science is the capability to disseminate quantum resources over complex quantum networks. For example, the coherent distribution of entangled quantum states together with quantum memory (for storing the states) can enable scalable architectures for quantum computation, communication and metrology. Here we report observations of entanglement between two atomic ensembles located in distinct, spatially separated set-ups. Quantum interference in the detection of a photon emitted by one of the samples projects the otherwise independent ensembles into an entangled state with one joint excitation stored remotely in 10(5) atoms at each site. After a programmable delay, we confirm entanglement by mapping the state of the atoms to optical fields and measuring mutual coherences and photon statistics for these fields. We thereby determine a quantitative lower bound for the entanglement of the joint state of the ensembles. Our observations represent significant progress in the ability to distribute and store entangled quantum states.

An efficient multimode quantum memory is a crucial resource for long-distance quantum communication based on quantum repeaters. We propose a quantum memory based on spectral shaping of an inhomogeneously broadened optical transition into an atomic frequency comb (AFC). The spectral width of the AFC allows efficient storage of multiple temporal modes without the need to increase the absorption depth of the storage material, in contrast to previously known quantum memories. Efficient readout is possible thanks to rephasing of the atomic dipoles due to the AFC structure. Long-time storage and on-demand readout is achieved by use of spin states in a lambda-type configuration. We show that an AFC quantum memory realized in solids doped with rare-earth-metal ions could store hundreds of modes or more with close to unit efficiency, for material parameters achievable today.

We propose a quantum repeater protocol which builds on the well-known Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) protocol [L. M. Duan, M. D. Lukin, J. I. Cirac, and P. Zoller, Nature (London) 414, 413 (2001)], but which uses photon pair sources in combination with memories that allow to store a large number of temporal modes. We suggest to realize such multimode memories based on the principle of photon echo, using solids doped with rare-earth-metal ions. The use of multimode memories promises a speedup in entanglement generation by several orders of magnitude and a significant reduction in stability requirements compared to the DLCZ protocol.

Matter and energy cannot be teleported (that is, transferred from one place to another without passing through intermediate locations). However, teleportation of quantum states (the ultimate structure of objects) is possible1: only the structure is teleported—the matter stays at the source side and must be already present at the final location. Several table-top experiments have used qubits2,3,4,5,6,7 (two-dimensional quantum systems) or continuous variables8,9,10 to demonstrate the principle over short distances. Here we report a long-distance experimental demonstration of probabilistic quantum teleportation. Qubits carried by photons of 1.3 µm wavelength are teleported onto photons of 1.55 µm wavelength from one laboratory to another, separated by 55 m but connected by 2 km of standard telecommunications fibre. The first (and, with foreseeable technologies, the only) application of quantum teleportation is in quantum communication, where it could help to extend quantum cryptography to larger distances11,12,13.

To realize scalable quantum information networks in the near future, it will be important to develop techniques for storage and retrieval of light at the single photon level. Quantum interfaces between light and matter have been demonstrated before, but mainly with atomic gases, necessitating sophisticated schemes to trap the atoms. de Riedmatten et al. demonstrate a potentially more practical approach; coherent and reversible mapping of a light field with less than one photon per pulse onto an ensemble of about 107 atoms naturally trapped in a solid-state medium. The state of the light is mapped onto collective atomic excitations on an optical transition and stored for a pre-programmed time up of to one microsecond before being retrieved again. The authors also demonstrate that light can be stored in multiple temporal modes and believe that their multimode solid-state quantum memories are promising alternative to atomic gases. To realize scalable quantum information networks, it will be important to develop techniques for storage and retrieval of light at the single photon level. Quantum interfaces between light and matter have been demonstrated, but mainly with atomic gases that involve sophisticated schemes to trap the atoms. This paper demonstrates a potentially more practical approach; coherent and reversible mapping of a light field with less than one photon per pulse onto an ensemble of ∼107 atoms naturally trapped in a solid state medium. The state of the light is mapped onto collective atomic excitations on an optical transition and stored for a pre-programmed time up of to one microsecond before being retrieved again. Coherent and reversible mapping of quantum information between light and matter is an important experimental challenge in quantum information science. In particular, it is an essential requirement for the implementation of quantum networks and quantum repeaters1,2,3. So far, quantum interfaces between light and atoms have been demonstrated with atomic gases4,5,6,7,8,9, and with single trapped atoms in cavities10. Here we demonstrate the coherent and reversible mapping of a light field with less than one photon per pulse onto an ensemble of ∼107 atoms naturally trapped in a solid. This is achieved by coherently absorbing the light field in a suitably prepared solid-state atomic medium11. The state of the light is mapped onto collective atomic excitations at an optical transition and stored for a pre-determined time of up to 1 μs before being released in a well-defined spatio-temporal mode as a result of a collective interference. The coherence of the process is verified by performing an interference experiment with two stored weak pulses with a variable phase relation. Visibilities of more than 95 per cent are obtained, demonstrating the high coherence of the mapping process at the single-photon level. In addition, we show experimentally that our interface makes it possible to store and retrieve light fields in multiple temporal modes. Our results open the way to multimode solid-state quantum memories as a promising alternative to atomic gases.

Entanglement is the fundamental characteristic of quantum physics-much experimental effort is devoted to harnessing it between various physical systems. In particular, entanglement between light and material systems is interesting owing to their anticipated respective roles as 'flying' and stationary qubits in quantum information technologies (such as quantum repeaters and quantum networks). Here we report the demonstration of entanglement between a photon at a telecommunication wavelength (1,338 nm) and a single collective atomic excitation stored in a crystal. One photon from an energy-time entangled pair is mapped onto the crystal and then released into a well-defined spatial mode after a predetermined storage time. The other (telecommunication wavelength) photon is sent directly through a 50-metre fibre link to an analyser. Successful storage of entanglement in the crystal is proved by a violation of the Clauser-Horne-Shimony-Holt inequality by almost three standard deviations (S = 2.64 ± 0.23). These results represent an important step towards quantum communication technologies based on solid-state devices. In particular, our resources pave the way for building multiplexed quantum repeaters for long-distance quantum networks.

We perform a review of various approaches to the implementation of quantum memories, with an emphasis on activities within the quantum memory sub-project of the EU integrated project “Qubit Applications”. We begin with a brief overview over different applications for quantum memories and different types of quantum memories. We discuss the most important criteria for assessing quantum memory performance and the most important physical requirements. Then we review the different approaches represented in “Qubit Applications” in some detail. They include solid-state atomic ensembles, NV centers, quantum dots, single atoms, atomic gases and optical phonons in diamond. We compare the different approaches using the discussed criteria.

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.

An optical quantum memory can be broadly defined as a system capable of storing a useful quantum state through interaction with light at optical frequencies. During the last decade, intense research was devoted to their development, mostly with the aim of fulfilling the requirements of their first two applications, namely quantum repeaters and linear-optical quantum computation. A better understanding of those requirements then motivated several different experimental approaches. Along the way, other exciting applications emerged, such as as quantum metrology, single-photon detection, tests of the foundations of quantum physics, device-independent quantum information processing and nonlinear processing of quantum information. Here we review several prospective applications of optical quantum memories with a focus on recent experimental achievements pertaining to these applications. This review highlights that optical quantum memories have become essential for the development of optical quantum information processing.