Иттербий: революция в дальних квантовых сетях

• Иттербий-базированные материалы могут усиливать квантовые сигналы для их распространения на большие расстояния.
• Материал может сохранять фотоны (несущие квантовые данные) от внешних помех для их синхронизации.

Квантовая криптография — это попытка позволить пользователям общаться через более безопасные методы, чем те, что гарантирует традиционная криптография. В настоящее время она использует оптоволокно на сотни миль и позволяет выполнять множество криптографических задач, которые доказано невозможны с использованием традиционных систем связи.

Невозможно скопировать сигнал, закодированный в квантовом состоянии: если кто-то пытается прочитать закодированные данные, состояние меняется (исчезает). Однако тот же факт также препятствует исследователям усиливать сигнал для распространения его на более длинные дистанции. Главная проблема — построить память, способную удерживать квантовые данные, несенные светом.

Теперь исследователи Женевского университета, Швейцария, нашли элемент, который может хранить хрупкие квантовые данные без их искажения на высоких частотах.

Поиск правильного материала для квантовой памяти

Ученые по всему миру работают над созданием квантовых памяти, которые могут повторять квантовые сигналы, удерживая и синхронизируя фотоны, чтобы они могли распространяться на более длинные расстояния.

Для построения таких квантовых памяти нам нужно найти подходящий материал, способный сохранять фотоны (несущие квантовые данные) на несколько секунд от внешних помех, чтобы их можно было синхронизировать.

Поскольку фотоны движутся со скоростью 186,282 миль в секунду, исследователям приходилось искать материал, который хорошо изолирован от воздействий среды и может эффективно работать на высоких частотах — две характеристики, которые трудно найти в одном материале.

У нас уже есть несколько прототипов на основе редких материалов вроде празеодима или европия, но они не очень эффективны. Поэтому исследователи обратили свой интерес к элементу, который не был интенсивно изучен: иттербий.

Ссылка: Nature Materials | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | Женевский университет

Как иттербий полезен?

Они обнаружили, что иттербий может изолировать атомы от их окружения, которое имеет тенденцию искажать сигнал, делая его идеальным кандидатом для квантовых повторителей.

Команда открыла «магическую точку», изменяя направление и амплитуду магнитного поля. В этой точной точке когерентность атомов иттербия возрастает в 1000 раз, при этом функционируя на высоких частотах.

Они показали, что возможно одновременно улучшить как спиновую, так и оптическую когерентность, уменьшая градиенты перехода через экстремально низкие смещенные магнитные поля или используя индуцированные тактовые переходы при нулевом поле. Это применимо к любой электронно-спиновой системе с гипертонкими взаимодействиями и анизотропным Зеемановским эффектом.

Исследователи сейчас разрабатывают квантовые памяти на основе иттербия, которые могут помочь быстрым переходам от одного повторителя к другому, удерживая состояние фотона на секунду или около того для обеспечения синхронизации.

Читайте: Первая симуляция атомного ядра на квантовом компьютере

Материал имеет множество уникальных свойств, таких как оптически разрешенные оптико-гипертонкие переходы, простая гипертонкая متعددة, и длинные времена когерентности, делая его идеальным кандидатом для квантовых данных приложений. Кроме того, он может использоваться для приложений в квантовых памяти и связи с сверхпроводящими кубитами в микроволновом режиме.