We present a quantum key distribution system with a 2.5 GHz repetition rate using a three-state time-bin protocol combined with a one-decoy approach. Taking advantage of superconducting single-photon detectors optimized for quantum key distribution and ultralow-loss fiber, we can distribute secret keys at a maximum distance of 421 km and obtain secret key rates of 6.5 bps over 405 km.Received 10 July 2018DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.190502© 2018 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasOptical quantum information processingQuantum channelsQuantum cryptographyQuantum networksQuantum opticsQuantum Information

Harnessing entanglement between light and material systems is of interest for future quantum information technologies. Two groups report advances in the development of the light–matter quantum interface that could pave the way for the construction of multiplexed quantum repeaters for long-distance quantum networks. Clausen et al. demonstrate entanglement between a photon at the telecommunication wavelength (1,338 nanometres) and a single collective atomic excitation stored in a neodymium-doped Y2SiO5 crystal. Saglamyurek et al. use a thulium-doped LiNbO3 waveguide to achieve a similar entanglement. The reversible transfer of quantum states of light into and out of matter constitutes an important building block for future applications of quantum communication. Here, the reversible transfer of photon–photon entanglement into entanglement between a photon and a collective atomic excitation in a solid-state device is reported. This should simplify frequency-matching of light with matter interfaces in advanced applications of quantum communication, bringing fully quantum-enabled networks a step closer. The reversible transfer of quantum states of light into and out of matter constitutes an important building block for future applications of quantum communication: it will allow the synchronization of quantum information1, and the construction of quantum repeaters2 and quantum networks3. Much effort has been devoted to the development of such quantum memories1, the key property of which is the preservation of entanglement during storage. Here we report the reversible transfer of photon–photon entanglement into entanglement between a photon and a collective atomic excitation in a solid-state device. Towards this end, we employ a thulium-doped lithium niobate waveguide in conjunction with a photon-echo quantum memory protocol4, and increase the spectral acceptance from the current maximum5 of 100 megahertz to 5 gigahertz. We assess the entanglement-preserving nature of our storage device through Bell inequality violations6 and by comparing the amount of entanglement contained in the detected photon pairs before and after the reversible transfer. These measurements show, within statistical error, a perfect mapping process. Our broadband quantum memory complements the family of robust, integrated lithium niobate devices7. It simplifies frequency-matching of light with matter interfaces in advanced applications of quantum communication, bringing fully quantum-enabled networks a step closer.

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.

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.

We report on $\mathrm{Mo}$-$\mathrm{Si}$-based superconducting nanowire single-photon detectors on a gallium arsenide substrate. $\mathrm{Mo}$-$\mathrm{Si}$ deposited on a passivated $\mathrm{Ga}\mathrm{As}$ surface has the same critical temperature as $\mathrm{Mo}$-$\mathrm{Si}$ deposited on silicon. The critical temperature decreases slightly on depositing $\mathrm{Mo}$-$\mathrm{Si}$ directly on the native oxide of $\mathrm{Ga}\mathrm{As}$. Hence, $\mathrm{Mo}$-$\mathrm{Si}$ works well as a thin-film superconductor on $\mathrm{Ga}\mathrm{As}$. We propose that the amorphous structure of $\mathrm{Mo}$-$\mathrm{Si}$ ensures compatibility with the $\mathrm{Ga}\mathrm{As}$ matrix. Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) are fabricated with $\mathrm{Mo}$-$\mathrm{Si}$ on $\mathrm{Ga}\mathrm{As}$ using a meander-wire design. The SNSPD metrics are very similar to those of devices fabricated with the same procedure on a silicon substrate. We observe a plateau in the response-versus-bias curve, signaling a saturated internal quantum efficiency. The plateau remains even at an elevated temperature, 2.2 K, at a wavelength of 980 nm. We achieve a timing jitter of 50 ps and a recovery time of 29 ns. These results point to the promise of integrating $\mathrm{Mo}$-$\mathrm{Si}$ SNSPDs with $\mathrm{Ga}\mathrm{As}$ photonic circuits.