The ability to distribute quantum entanglement over long distances is a vital ingredient for quantum technologies. Single atoms and atom-like defects in solids are ideal quantum light sources and quantum memories to store entanglement. However, a major obstacle to developing long-range quantum networks is the mismatch between typical atomic transition energies in the ultraviolet and visible spectrum, and the low-loss propagation band of optical fibers in the infrared, around 1.5 $\mu$m. A notable exception is the Er$^{3+}$ ion, whose 1.5 $\mu$m transition is exploited in fiber amplifiers that drive modern communications networks. However, an optical interface to single Er$^{3+}$ ions has not yet been achieved because of the low photon emission rate, less than 100 Hz, that results from the electric dipole-forbidden nature of this transition. Here, we demonstrate that the emission rate of single Er$^{3+}$ ions in a solid-state host can be enhanced by a factor of more than 300 using a small mode-volume, low-loss silicon nanophotonic cavity. This enhancement enables the fluorescence from single Er$^{3+}$ ions to be clearly observed for the first time. Tuning the excitation laser over a small frequency range allows dozens of distinct ions to be addressed, and the splitting of the lines in a magnetic field confirms that the optical transitions are coupled to the Er$^{3+}$ ions' spins. These results are a significant step towards long-distance quantum networks and deterministic quantum logic for photons, based on a scalable silicon nanophotonics architecture.

Abstract Optically-interfaced spins in the solid state are a promising platform for quantum technologies. A crucial component of these systems is high-fidelity, projective measurement of the spin state. Here, we demonstrate single-shot spin readout of a single rare earth ion qubit, Er 3+ , which is attractive for its telecom-wavelength optical transition and compatibility with silicon nanophotonic circuits. In previous work with laser-cooled atoms and ions, and solid-state defects, spin readout is accomplished using fluorescence on an optical cycling transition; however, Er 3+ and other rare earth ions generally lack strong cycling transitions. We demonstrate that modifying the electromagnetic environment around the ion can increase the strength and cyclicity of the optical transition by several orders of magnitude, enabling single-shot quantum nondemolition readout of the ion’s spin with 94.6% fidelity. We use this readout to probe coherent dynamics and relaxation of the spin.

Defects and dopant atoms in solid state materials are a promising platform for realizing single photon sources and quantum memories, which are the basic building blocks of quantum repeaters needed for long distance quantum networks. In particular, trivalent erbium (Er3+) is of interest because it couples C-band telecom optical transitions with a spin-based memory platform. In order to produce quantum repeaters at the scale required for quantum networks it is imperative to integrate these necessary building blocks with mature and scalable semiconductor processes. In this work, we demonstrate the optical isolation of single Er3+ ions in CMOS-compatible titanium dioxide (TiO2) thin films monolithically integrated on a silicon-on-insulator photonics platform. Our results demonstrate an initial step toward the realization of a monolithically integrated and scalable quantum photonics package based on Er3+ doped thin films.

Abstract Arrays of neutral atoms trapped in optical tweezers have emerged as a leading platform for quantum information processing and quantum simulation due to their scalability, reconfigurable connectivity, and high-fidelity operations. Individual atoms are promising candidates for quantum networking due to their capability to emit indistinguishable photons that are entangled with their internal atomic states. Integrating atom arrays with photonic interfaces would enable distributed architectures in which nodes hosting many processing qubits could be efficiently linked together via the distribution of remote entanglement. However, many atom array techniques cease to work in close proximity to photonic interfaces, with atom detection via standard fluorescence imaging presenting a major challenge due to scattering from nearby photonic devices. Here, we demonstrate an architecture that combines atom arrays with up to 64 optical tweezers and a millimeter-scale photonic chip hosting more than 100 nanophotonic cavities. We achieve high-fidelity ( ~ 99.2%), background-free imaging in close proximity to nanofabricated cavities using a multichromatic excitation and detection scheme. The atoms can be imaged while trapped a few hundred nanometers above the dielectric surface, which we verify using Stark shift measurements of the modified trapping potential. Finally, we rearrange atoms into defect-free arrays and load them simultaneously onto the same or multiple devices.

Robust spin-photon interfaces with optical transitions in the telecommunication band are essential for quantum networking technologies. Erbium (Er) ions are the ideal candidate with environmentally protected transitions in telecom-C band. Finding the right technologically compatible host material to enable long-lived spins remains a major hurdle. We introduce a new platform based on Er ions in cerium dioxide (CeO2) as a nearly-zero nuclear spin environment (0.04%) epitaxially grown on silicon, offering silicon compatibility for opto-electrical devices. Our studies focus on Er3+ ions and show a narrow homogeneous linewidth of 440 kHz with an optical coherence time of 0.72 μs at 3.6 K. The reduced nuclear spin noise enables a slow spin-lattice relaxation with a spin relaxation time up to 2.5 ms and an electron spin coherence time of 0.66 μs (in the isolated ion limit) at 3.6 K. These findings highlight the potential of Er3+:CeO2 platform for quantum networks applications.

Rare-earth ion doped oxide thin films integrated on silicon substrates provide a route toward scalable, chip-scale platforms for quantum coherent devices. Erbium-doped TiO2 is an attractive candidate: the Er3+ optical transition is compatible with C-band optical fiber communications, while TiO2 is an insulating dielectric compatible with silicon process technology. Through structural and optical studies of Er-doped TiO2 thin films grown via molecular beam deposition on silicon, SrTiO3, and sapphire substrates, we have explored the impact of polycrystallinity and microstructure on the optical properties of the Er emission. Comparing polycrystalline TiO2(rutile)/Si with single-crystalline TiO2(rutile)/r-sapphire and polycrystalline TiO2(anatase)/Si with single-crystalline TiO2(anatase)/SrTiO3, we observe that the inhomogeneous linewidth (Γinh) of the most prominent peak in the Er spectrum (the Y1–Z1 transition, 1520 and 1533 nm in rutile and anatase TiO2) is significantly narrower in the polycrystalline case. This implies a relative insensitivity to extended structural defects and grain boundaries in such films (as opposed to, e.g., point defects). We show that the growth of an undoped, underlying TiO2 buffer on Si can reduce Γinh by a factor of 4–5. Expectedly, Γinh also reduces with decreasing Er concentrations: we observe a ∼2 order of magnitude reduction from ∼1000 ppm Er to ∼10 ppm Er. Γinh then gets limited to a residual value of ∼5 GHz that is insensitive to further reduction in the Er concentration. Based upon the above results, we argue that the optical properties in these thin films are limited by the presence of high “grown-in” point defect concentrations.