Ytterbium: Revolutionaire lange-afstand quantum-netwerken

• Ytterbium-gebaseerde materialen kunnen quantum-signalen versterken om ze over lange afstanden te diffuseren.
• Het materiaal kan fotonen (die quantumdata dragen) behouden van externe storingen zodat ze gesynchroniseerd kunnen worden.

Quantumcryptografie is een poging om gebruikers in staat te stellen te communiceren via veiligere technieken dan die gegarandeerd door conventionele cryptografie. Op dit moment gebruikt het optische vezel over honderden kilometers en stelt het de voltooiing van talrijke cryptografische taken in die onmogelijk zijn bewezen met traditionele communicatiesystemen.

Het is onmogelijk om het signaal gecodeerd in een quantumtoestand te kopiëren: als iemand probeert de gecodeerde data te lezen, verandert de toestand (verdwijnt). Echter, hetzelfde feit voorkomt ook dat onderzoekers het signaal versterken om het over langere afstanden te diffuseren. De grote uitdaging is om een geheugen te bouwen dat quantumdata gedragen door licht kan vasthouden.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Genève, Zwitserland, een element gevonden dat het kwetsbare quantumdata kan opslaan zonder het te vervormen bij hoge frequenties.

Zoeken naar het juiste materiaal voor quantumgeheugen

Wetenschappers over de hele wereld werken aan quantumgeheugens die quantumsignalen kunnen herhalen door fotonen vast te houden en te synchroniseren, zodat ze over langere afstanden kunnen voortplanten.

Om dergelijke quantumgeheugens te bouwen, moeten we een geschikt materiaal vinden dat in staat is fotonen (die quantumdata dragen) voor een paar seconden te behouden van externe storingen zodat ze gesynchroniseerd kunnen worden.

Aangezien fotonen 186.282 mijl per seconde afleggen, hebben onderzoekers een materiaal moeten vinden dat goed geïsoleerd is van omgevingsstoringen en efficiënt kan opereren bij hoge frequenties — twee kenmerken die moeilijk in één materiaal te vinden zijn.

We hebben al een paar prototypes gebaseerd op zeldzame materialen zoals praseodymium of europium, maar ze zijn niet erg efficiënt. Daarom keerden onderzoekers hun interesse toe naar het element dat niet intensief bestudeerd was: ytterbium.

Referentie: Nature Materials | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | Universiteit van Genève

Hoe Ytterbium nuttig is?

Ze vonden dat ytterbium atomen kan isoleren van hun omgeving die het signaal neigen te vervormen, wat het een perfecte kandidaat maakt voor quantum-repeaters.

Het team ontdekte een "magisch punt" door de richting en amplitude van het magnetische veld te veranderen. Op dit precieze punt worden de coherentietijden van ytterbium-atomen met 1.000 keer verhoogd, terwijl ze functioneren bij hoge frequenties.

Ytterbium-kristel gekoeld tot 270,15 graden Celsius

Ze hebben getoond dat het mogelijk is om zowel spin- als optische coherentietijden simultaan te verbeteren, door de overgangsgradienten te verminderen door extremelt lage magnetische biasvelden, of door gebruik te maken van geïnde klokovergangen bij nul veld. Het is toepasbaar op elk elektronisch spinkwantummet met hyperfine interacties en anisotrope Zeeman.

Onderzoekers ontwikkelen nu quantumgeheugens gebaseerd op ytterbium die snelle overgangen van de ene repeater naar de andere kunnen ondersteunen terwijl de fotontoestand voor een seconde of zo wordt vastgehouden, om de synchronisatie mogelijk te maken.

Lees ook: De eerste simulatie van atoomkern op een quantumcomputer

Het materiaal heeft talloze unieke eigenschappen, zoals optisch opgeloste optisch-hyperfine overgangen, eenvoudig hyperfine manifold, en lange coherentietijden, wat het een perfecte kandidaat maakt voor quantumdata-toepassingen. Bovendien kan het gebruikt worden voor toepassingen in quantumgeheugens, en koppeling aan supergeleidende qubits in microgolfregime.