Grundstoffet erbium kunne bane vejen til et kvanteinternet

Hvis du skulle prøve at recitere det periodiske system, du kan snuble, før du nåede til de sjældne jordarters elementer.

Bestående af yttrium (grundstof 39) og alt fra lanthan (grundstof 57) til lutetium (grundstof 71), de sjældne jordarter er ukendte for de fleste af os. Men de er afgørende for teknologier, som vi bruger hver dag, fra fluorescerende lys til internettet.

For nylig, vi har vist, at et sjældent jordelement, erbium (element 68), kan spille en afgørende rolle i fremtidens kvanteinternet.

Hvad er sjældne jordarter, alligevel?

Selv navnet "sjældne jordarter" er misvisende. Faktisk, sjældne jordarters grundstoffer er ikke særlig sjældne. Cerium, for eksempel, er lige så almindelig som kobber.

Navnet "sjældne jordarter" opstod, fordi de er spredt i malme og er svære at udvinde, så kun små mængder kunne isoleres. I dag, selvom, vi udvinder over 100, 000 tons sjældne jordarters grundstoffer årligt.

Anvendelsen af ​​de sjældne jordarters elementer spænder vidt. Metallegeringer – dvs. blandinger – indeholdende sjældne jordarters ioner såsom neodym danner de stærkeste magneter. De bruges i alt fra lydhøjttalere til elektriske motorer. Katalysatorerne, der reducerer de skadelige emissioner i bilers udstødning, bruger cerium, og genopladelige nikkelmetalhydridbatterier bruger lanthan.

Krystaller indeholdende sjældne jordarters ioner absorberer og udsender lys ved en række nyttige bølgelængder i ultraviolet lys, synlige og infrarøde områder af spektret.

Det betyder, at sjældne jordarters elementer er almindelige i belysning. Krystalpulver - kendt som fosfor - indeholdende europium, terbium, og cerium bruges til at skabe den røde, grøn, og blå pixels, der udgør en fuldfarve plasma-tv-skærm. De er også blandet sammen for at skabe det hvide lys fra kompakte fluorescerende pærer.

Erbium og internettet

Erbium, i mellemtiden, spiller en afgørende rolle i internettets optiske fibernet.

Det meste af den globale internettrafik bevæger sig som lys i optiske fibre. Dette muliggør hurtig transmission med meget lavt tab ved den rigtige bølgelængde (omkring 1, 500-1, 600 nanometer; en nanometer er en milliardtedel af en meter).

Ikke desto mindre, over lange afstande er dette tab - lys siver ud af fiberen - et stort problem, og lyset skal periodisk forstærkes.

Da erbium absorberer og udsender lys ved 1, 550 nanometer, præcis i midten af ​​fibertelebåndet, den kan bruges til at forstærke lyset i en enhed kaldet en Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA).

De undersøiske optiske fibre, der udgør rygraden i internettet, har EDFA'er hver 80 km eller deromkring.

Kvanteinternettet

Internettet gør det muligt for nuværende computere at tale med hinanden, men forskere udvikler nu kvantecomputere. Erbium kan også spille en vigtig rolle her.

Kvantecomputere gør brug af et af de mærkeligere aspekter af kvantefysikken - kvantesuperposition, hvor partikler samtidigt kan eksistere i to forskellige tilstande - for at indkode information. For at få disse computere til at tale med hinanden, vi har brug for en ny type netværk, der kan vedligeholde denne kvanteinformation. Med andre ord, et kvante internet.

For at lave kvanteinternettet skal vi bygge kvanteanalogerne af hvert element i det klassiske internet. Kvanteanalogen af ​​EDFA'erne, der bruges som forstærkere i vores nuværende undersøiske optiske fibre, kaldes en kvanterepeater. På tur, dette ville kræve kvantehukommelse, som bruges til at gemme og synkronisere informationstrafik i netværket.

Forskere over hele verden har arbejdet på kvanteminder i over et årti, men gemmer kvanteinformation for selv 1/1, 000 af et sekund er udfordrende. Vi har brug for lagringstider på mindst 1/10 sekund for kvanteinternettet.

Det har også været meget svært at lave minder, der arbejder for lys i fibertelebåndet, den nødvendige bølgelængde for optiske fibre.

Den bedste tilgang til dato har været at bygge hukommelsen ved en anden bølgelængde, og forsøge at forbinde det med det optiske fiberbånd ved at, for eksempel, konvertering af lysets bølgelængde ved hukommelsens input og output - en udfordring i sig selv.

Vil erbium hjælpe?

Da erbium interagerer med lys ved præcis den rigtige bølgelængde, det virker som det oplagte valg for en kvantehukommelse. Imidlertid, erbium er dårlig til at lagre kvanteinformation.

Problemet er, at erbium er følsomt over for de små magnetfeltsvingninger, der opstår i krystaller, og dette nedbryder hurtigt enhver kvanteinformation, den rummer.

For nylig, vi fandt ud af, at anvendelse af et stort magnetfelt i høj grad kan forbedre kvantelagringstiden for visse erbiumkrystaller. Dette felt, som ligner det inde i en MR-maskine på et hospital, dæmper magnetfeltudsvingene. Opbevaringstiden for erbium kan derefter forbedres med en faktor 10, 000 til mere end 1 sekund.

Dette er det første system, der er kompatibelt med de optiske fibre, der kræves til et globalt kvanteinternet, der har en lagringstid lang nok til dette netværk. De næste trin er at bygge kvanterepeatere med dette system, og installer dem på et testnetværk for at måle deres ydeevne.

I fremtiden, erbium-materialer kan være lige så integrerede i kvanteinternettet, som de allerede er i vores nuværende internet.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.