Ytterbium:Morgendagens kvantehukommelse

Kvantekommunikation og kryptografi er fremtiden for kommunikation med høj sikkerhed. Men mange udfordringer venter, før der kan oprettes et verdensomspændende kvantenetværk, herunder udbredelse af kvantesignalet over lange afstande. En af de store udfordringer er at skabe minder med kapacitet til at lagre kvanteinformation, der bæres af lys. Forskere ved University of Geneva (UNIGE), Schweiz, i partnerskab med CNRS, Frankrig, har opdaget et nyt materiale, hvor et element, ytterbium, kan lagre og beskytte den skrøbelige kvanteinformation, selvom den opererer ved høje frekvenser. Dette gør ytterbium til en ideel kandidat til fremtidige kvantenetværk, hvor målet er at formidle signalet over lange afstande ved at fungere som repeatere. Disse resultater er offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer .

Kvantekryptografi bruger i dag optisk fiber over flere hundrede kilometer og er præget af dets høje grad af sikkerhed:det er umuligt at kopiere eller opfange oplysninger uden at få dem til at forsvinde.

Imidlertid, det faktum, at det er umuligt at kopiere signalet, forhindrer også forskere i at forstærke det for at sprede det over lange afstande, som det er tilfældet med Wi-Fi-netværket.

At finde det rigtige materiale til at producere kvantehukommelser

Da signalet ikke kan kopieres eller forstærkes, uden at det forsvinder, forskere arbejder i øjeblikket på, hvordan man gør kvantehukommelser i stand til at gentage det ved at fange fotoner og synkronisere dem, så de kan diffunderes yderligere og længere. Tilbage er kun at finde det rigtige materiale til at lave disse kvanteminder. "Vanskeligheden er at finde et materiale, der er i stand til at isolere den kvanteinformation, som fotonerne formidler fra miljøforstyrrelser, så vi kan holde på dem et sekund eller deromkring og synkronisere dem, "forklarer Mikael Afzelius, en forsker ved Institut for Anvendt Fysik ved UNIGE's Videnskabelige Fakultet. "Men en foton rejser omkring 300, 000 km på et sekund! "Dette betød, at fysikerne og kemikerne skulle finde frem til et materiale, der er meget godt isoleret fra forstyrrelser, men stadig kan fungere ved høje frekvenser, så fotonet kan lagres og gendannes hurtigt - to karakteristika, der ofte er anses for uforenelig.

Et "vendepunkt" for den "hellige gral" på sjældne jordarter

Selvom der allerede findes laboratorietestede kvantehukommelsesprototyper, herunder dem, der er baseret på sjældne jordarter, såsom europium eller praseodym, deres hastighed er endnu ikke høj nok. "Så, vi vendte vores interesse til en sjælden jord fra det periodiske system, der hidtil kun havde fået lidt opmærksomhed:ytterbium, "forklarer Nicolas Gisin, professor i Institut for Anvendt Fysik ved UNIGE's Videnskabelige Fakultet og grundlægger af ID Quantique. "Vores mål var at finde det ideelle materiale til fremstilling af kvantegentagere, som indebærer at isolere atomer fra deres omgivelser, som har en tendens til at forstyrre signalet, "tilføjer professor Gisin. Og det ser ud til at være tilfældet med ytterbium!

UNIGE og CNRS fysikere opdagede, at, ved at udsætte denne sjældne jord for meget præcise magnetfelter, det sjældne jordatom kommer ind i en tilstand af ufølsomhed, der afbryder det fra forstyrrelserne i dets miljø, gør det muligt at fange fotonet, så det kan synkroniseres. "Vi fandt et 'magisk punkt' ved at variere amplituden og retningen af ​​magnetfeltet, "siger Alexey Tiranov, en forsker i Institut for Anvendt Fysik ved UNIGE, og Philippe Goldner, en forsker ved forskningsinstituttet Chimie Paris. "Når dette punkt er nået, kohærenserne for ytterbiumatomerne øges med en faktor 1, 000, mens du arbejder med høje frekvenser! "

Fordelene ved ytterbium

Fysikerne er nu i gang med at bygge ytterbium-baserede kvanteminder, der kan bruges til hurtigt at foretage overgange fra en repeater til en anden, samtidig med at fotonet bevares så længe som muligt for at muliggøre den nødvendige synkronisering. "Dette materiale åbner et nyt felt af muligheder for at skabe et globalt kvantenetværk; det understreger også vigtigheden af ​​at forfølge grundforskning parallelt med mere anvendt forskning, såsom at udtænke en kvantehukommelse, "slutter Afzelius.