Ytterbium:een revolutie in kwantumnetwerken over lange afstanden

• Op Ytterbium gebaseerde materialen kunnen kwantumsignalen versterken en ze over lange afstanden verspreiden.
• Het materiaal kan fotonen (die kwantumgegevens bevatten) beschermen tegen externe verstoringen, zodat ze kunnen worden gesynchroniseerd.

Kwantumcryptografie is een poging om gebruikers in staat te stellen te communiceren via veiligere technieken dan die welke worden gegarandeerd door conventionele cryptografie. Momenteel maakt het gebruik van optische vezels over honderden kilometers en maakt het de voltooiing mogelijk van talloze cryptografische taken die onmogelijk blijken te zijn met behulp van traditionele communicatiesystemen.

Het is onmogelijk om het signaal dat in een kwantumstatus is gecodeerd te kopiëren:als iemand de gecodeerde gegevens probeert te lezen, verandert de status (verdwijnt). Hetzelfde feit weerhoudt onderzoekers er echter ook van om het signaal te versterken om het over langere afstanden te verspreiden. De grootste uitdaging is het bouwen van een geheugen dat kwantumgegevens kan bevatten die door licht worden overgedragen.

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

Het juiste materiaal zoeken voor kwantumgeheugen

Wetenschappers over de hele wereld werken aan het maken van kwantumgeheugens die kwantumsignalen kunnen herhalen door fotonen vast te houden en te synchroniseren, zodat ze zich over langere afstanden kunnen voortplanten.

Om dergelijke kwantumgeheugens te bouwen, moeten we een geschikt materiaal vinden dat in staat is om fotonen (die kwantumgegevens dragen) gedurende een paar seconden te beschermen tegen externe verstoringen, zodat ze kunnen worden gesynchroniseerd.

Omdat de fotonen in één seconde 300.000 kilometer per seconde afleggen, moesten onderzoekers een materiaal vinden dat goed geïsoleerd is van omgevingsstoringen en efficiënt kan werken op hoge frequenties – twee kenmerken die moeilijk te vinden zijn in één enkel materiaal.

We hebben al een paar prototypes op basis van zeldzame materialen zoals praseodymium of europium, maar die zijn niet erg efficiënt. Daarom richtten onderzoekers hun interesse op het element dat nog niet intensief was bestudeerd:ytterbium.

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

Hoe is Ytterbium nuttig?

Ze ontdekten dat ytterbium atomen uit hun omgeving kan isoleren die de neiging hebben het signaal te vervormen, waardoor het een perfecte kandidaat is voor kwantumrepeaters.

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 ytterbiumatomen met 1000 keer verhoogd, terwijl ze op hoge frequenties functioneren.

Ytterbiumkristal gekoeld tot 270,15 graden Celsius

Ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om tegelijkertijd zowel de spin- als de optische coherentietijden te verbeteren, door de overgangsgradiënten te verminderen door extreem lage magnetische biasvelden, of door geïnduceerde klokovergangen bij nulveld te gebruiken. Het is toepasbaar op elk elektronisch spinsysteem met hyperfijne interacties en anisotrope Zeeman.

Onderzoekers ontwikkelen nu kwantumgeheugens op basis van ytterbium die kunnen helpen bij snelle overgangen van de ene repeater naar de andere, terwijl de fotontoestand ongeveer een seconde wordt vastgehouden, om de synchronisatie mogelijk te maken.

Lees:De eerste simulatie van de atoomkern op een kwantumcomputer

Het materiaal heeft talloze unieke eigenschappen, zoals optisch opgeloste optisch-hyperfijne overgangen, een eenvoudige hyperfijne variëteit en lange coherentietijden, waardoor het een perfecte kandidaat is voor kwantumdatatoepassingen. Bovendien kan het worden gebruikt voor toepassingen in kwantumgeheugens en voor koppeling aan supergeleidende qubits in het microgolfregime.