イッテルビウム:長距離量子ネットワークに革命を起こす

• イッテルビウムベースの材料は、量子信号を増幅して長距離に拡散させることができます。
• このマテリアルは、外部の擾乱から光子（量子データを運ぶ）を保存できるため、光子を同期させることができます。

量子暗号は、従来の暗号によって保証されている技術よりも安全な技術を介してユーザーが通信できるようにする試みです。現在、数百マイルにわたる光ファイバーを使用しており、従来の通信システムでは不可能であることが証明されている数多くの暗号化タスクを完了することができます。

量子状態でエンコードされた信号をコピーすることは不可能です。誰かがエンコードされたデータを読み取ろうとすると、状態が変化します (消滅します)。しかし、同じ事実により、研究者は信号を増幅して長距離に拡散することもできません。大きな課題は、光によって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。

今回、スイスのジュネーブ大学の研究者たちは、壊れやすい量子データを高周波数で歪ませることなく保存できる要素を発見しました。

量子メモリに適した材料を探す

世界中の科学者が、光子を保持して同期させることで量子信号を繰り返し、より長い距離を伝播できる量子メモリの作成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、光子 (量子データを運ぶ) を外部擾乱から数秒間保存して同期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 マイル移動するため、研究者は環境の擾乱から十分に隔離され、高周波数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 つの特徴は、単一の材料では見つけるのが困難です。

プラセオジムやユーロピウムなどの希少な材料をベースにしたプロトタイプがすでにいくつかありますが、あまり効率的ではありません。したがって、研究者たちは、これまで集中的に研究されていなかった元素であるイッテルビウムに興味を向けました。

参考:自然素材 |土井:10.1038/s41563-018-0138-x |ジュネーブ大学

イッテルビウムはどのように役立つのですか?

彼らは、イッテルビウムが信号を歪める傾向のある原子を周囲から隔離できるため、量子中継器の完璧な候補となることを発見しました。

研究チームは、磁場の方向と振幅を変えることで「マジックポイント」を発見した。まさにこの時点で、イッテルビウム原子のコヒーレンス時間は 1,000 倍向上し、高周波で機能します。

摂氏 270.15 度まで冷却されたイッテルビウム結晶

彼らは、極度に低い磁気バイアス磁場を通じて遷移勾配を低減するか、ゼロ磁場での誘導クロック遷移を使用することによって、スピンと光のコヒーレンス時間の両方を同時に向上させることが可能であ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を持つあらゆる電子スピン系に適用できます。

研究者は現在、同期を可能にするために光子の状態を 1 秒ほど保持しながら、ある中継器から別の中継器への急速な移行を支援できるイッテルビウムに基づく量子メモリを開発中です。

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この材料は、光学的に分解された光学超微細遷移、単純な超微細多様体、長いコヒーレンス時間など、数多くのユニークな特性を備えており、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、量子メモリのアプリケーションや、マイクロ波領域での超伝導量子ビットへの結合にも使用できます。