Иттербий: квантовая память завтрашнего дня

Иттербий: квантовая память завтрашнего дня

Квантовая связь и криптография – это будущее коммуникаций с высоким уровнем безопасности. Впереди пока еще много не решенных проблем, прежде чем можно будет создать всемирную квантовую сеть, включая распространение квантового сигнала на большие расстояния. Одной из основных задач является создание памяти, способной хранить квантовую информацию, переносимую светом. Исследователи из Университета Женевы (UNIGE, Швейцария), в партнерстве с Национальным Центром Научных Исследований (CNRS, Франция) обнаружили новый материал, в котором химический элемент иттербий может хранить и защищать хрупкую квантовую информацию даже при работе на высоких частотах. Это делает иттербий идеальным кандидатом для создания будущих квантовых сетей, где он может использоваться для распространение сигнала на большие расстояния, действуя как повторитель. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

Сегодня квантовая криптография использует оптоволокно длиной до нескольких сотен километров и отличается высокой степенью защиты: невозможно скопировать или перехватить информацию, не заставив ее исчезнуть. Однако тот факт, что невозможно скопировать сигнал, также не позволяет ученым усилить его, чтобы распропостранить на большие расстояния, как в случае с сетями Wi-Fi.

Поскольку сигнал не может быть скопирован или усилен без его исчезновения, ученые в настоящее время работают над тем, как сделать квантовую память способной повторять его, захватывая фотоны и синхронизируя их так, чтобы они могли распространяться на более длинные расстояния. Остается только найти правильный материал для создания квантовой памяти.

“Трудность состоит в том, чтобы найти такой материал, способный изолировать квантовую информацию передаваемую фотонами от возмущений окружающей среды. А также чтобы мы могли удерживать фотоны в течение хотя бы секунды для синхронизации”, – объясняет Микаэль Афзелиус, исследователь кафедры прикладной физики Университета Женевы. “Но фотоны распространяются со скоростью около 300 000 км в секунду!”.

Это означает, что физики и химики должны были найти такой материал, который не только хорошо изолирован от внешних возмущений, но и способен работать на высоких частотах. Но эти две характеристики часто считаются несовместимыми.

Несмотря на то, что уже существуют проверенные прототипы квантовой памяти, в том числе на основе редких элементов, таких как европий или празеодим, их скорость еще недостаточно высока.

“Мы заинтересовались элементом из периодической таблицы, который до сих пор не получил должного внимания – это иттербий”, – рассказывает Николас Гизин, профессор кафедры прикладной физики Университета Женевы. “Наша цель состояла в том, чтобы найти идеальный материал для создания квантовых повторителей, который включает в себя изоляцию атомов от внешней среды, которая имеет тенденцию нарушать сигнал. И, похоже, мы его нашли!”

Подвергая иттербий воздействию сверхточных магнитных полей, его атомы входят в состояние невосприимчивости, которое отсекает его от возмущений во внешней среде, что позволяет улавливать фотоны для синхронизации.

“Мы обнаружили эту “магическую точку”, изменяя амплитуду и направление магнитного поля”, – комментирует Алексей Тиранов, исследователь из отдела прикладной физики Университета Женевы, и Филипп Голднер, исследователь из Парижского исследовательского института. “Когда эта точка была достигнута, время когерентности атомов иттербия увеличилось в 1000 раз при работе на высоких частотах!”

Физики в настоящее время находятся в процессе создания квантовой памяти на основе иттербия, которая может быть использована для быстрого перехода от одного ретранслятора к другому, сохраняя фотоны как можно дольше и обеспечивая необходимую синхронизацию. Таким образом, иттербий открывает новые возможности для создания глобальной квантовой сети, а также подчеркивает важность параллельного проведения фундаментальных и прикладных исследований.

Источник: sciencedaily.com

Фото: www.coconet.cn