イッテルビウム：長距離量子ネットワークに革命をもたらす

量子暗号は、従来暗号が保証するものより安全な技術でユーザー間通信を可能にする試みです。現在、数百マイルの光ファイバーを使用し、従来通信システムでは不可能と証明された多数の暗号タスク完了を可能にしています。

量子状態にエンコードされた信号をコピーすることは不可能です：誰かがエンコードデータを読もうとすると、状態が変化（消失）します。しかし、同じ事実が信号を増幅してより長距離に拡散することも妨げます。主要課題は、光で運ばれる量子データを保持できるメモリを構築することです。

現在、スイス・ジュネーブ大学の研究者たちが、高周波で歪みなく壊れやすい量子データを保存できる元素を発見しました。

量子メモリに適した材料の探索

世界中の科学者たちが、光子を保持・同期させてより長距離に伝播させる量子リピーターとして機能する量子メモリ構築に取り組んでいます。

このような量子メモリを構築するには、数秒間、外部擾乱から光子（量子データを運ぶ）を保存できる適切な材料を見つける必要があります。

光子は1秒間に186,282マイル進むため、研究者たちは環境擾乱から十分隔離され、高周波で効率的に動作できる材料を見つける必要がありました。この2つの特徴を兼ね備えた単一材料を見つけるのは困難です。

プラセオジムやユウロピウムのような希土類元素ベースのプロトタイプは既にいくつかありますが、あまり効率的ではありません。そのため、研究者たちは集中的に研究されてこなかった元素：イッテルビウムに注目しました。

参照：Nature Materials | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | University of Geneva

彼らは、イッテルビウムが信号を歪める周囲環境から原子を隔離できることを発見し、量子リピーターの完璧な候補となりました。

チームは磁場の方向と振幅を変えることで「魔法のポイント」を発見しました。この正確なポイントでは、イッテルビウム原子のコヒーレンス時間が1,000倍向上し、高周波で機能します。

マイナス270.15度セ氏まで冷却されたイッテルビウム結晶

彼らは、極めて低い磁場バイアスで遷移勾配を減らすか、ゼロ場での誘起クロック遷移を使用することで、スピンと光学コヒーレンス時間の両方を同時に向上させられることを示しました。これは超微細相互作用と異方性ゼーマン効果を持つ任意の電子スピンシステムに適用可能です。

研究者たちは現在、イッテルビウムベース量子メモリを開発しており、1秒ほど光子状態を保持しながらリピーター間の迅速な遷移を支援し、同期を可能にします。

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この材料には、光学的に分解された光学-超微細遷移、シンプルな超微細多重項、長いコヒーレンス時間など多数のユニークな特性があり、量子データアプリケーションの完璧な候補となっています。さらに、量子メモリ応用やマイクロ波領域での超伝導量子ビットとの結合に使用できます。

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