Om du skulle försöka recitera det periodiska systemet, du kanske snubblar innan du kom till de sällsynta jordartselementen.

Bestående av yttrium (element 39) och allt från lantan (element 57) till lutetium (element 71), de sällsynta jordartsmetallerna är obekanta för de flesta av oss. Men de är viktiga för teknologier som vi använder varje dag, från lysrör till internet.

Nyligen, vi har visat att ett sällsynt jordartselement, erbium (element 68), kan spela en avgörande roll i framtidens kvantinternet.

Vad är sällsynta jordartsmetaller, i alla fall?

Även namnet "sällsynta jordarter" är missvisande. Faktiskt, sällsynta jordartsmetaller är inte särskilt sällsynta. Cerium, till exempel, är lika vanligt som koppar.

Namnet "sällsynta jordartsmetaller" kom till för att de är utspridda i malmer och är svåra att utvinna, så endast små mängder kunde isoleras. I dag, fastän, vi extraherar över 100, 000 ton sällsynta jordartsmetaller årligen.

Tillämpningarna av de sällsynta jordartsmetallerna är omfattande. Metallegeringar – dvs. blandningar – som innehåller sällsynta jordartsmetalljoner som neodym gör de starkaste magneterna. De används i allt från högtalare till elmotorer. Katalysatorerna som minskar skadliga utsläpp i bilavgaser använder cerium, och laddningsbara nickelmetallhydridbatterier använder lantan.

Kristaller som innehåller sällsynta jordartsmetalljoner absorberar och avger ljus vid en mängd användbara våglängder i ultraviolett ljus, synliga och infraröda områden i spektrumet.

Detta innebär att sällsynta jordartsmetaller är vanliga i belysning. Kristallpulver - känd som fosfor - som innehåller europium, terbium, och cerium används för att skapa det röda, grön, och blå pixlar som utgör en plasma-TV-skärm i fullfärg. De är också blandade för att skapa det vita ljuset från kompakta lysrörslampor.

Erbium och internet

Erbium, under tiden, spelar en avgörande roll i internets optiska fibernät.

Den mesta globala internettrafiken färdas som ljus i optiska fibrer. Detta möjliggör snabb överföring med mycket låg förlust vid rätt våglängd (cirka 1, 500-1, 600 nanometer; en nanometer är en miljarddels meter).

Ändå, över långa avstånd är denna förlust - ljus som läcker ut ur fibern - ett stort problem, och ljuset måste periodiskt förstärkas.

Eftersom erbium absorberar och avger ljus vid 1, 550 nanometer, precis i mitten av fibertelekombandet, den kan användas för att förstärka ljuset i en enhet som kallas en Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA).

De optiska undervattensfibrerna som utgör ryggraden i internet har EDFAs var 80:e km eller så.

Kvantinternet

Internet gör det möjligt för dagens datorer att prata med varandra, men forskare utvecklar nu kvantdatorer. Erbium kan spela en viktig roll även här.

Kvantdatorer använder sig av en av de konstigaste aspekterna av kvantfysiken - kvantöverlagring, där partiklar samtidigt kan existera i två olika tillstånd - för att koda information. För att få dessa datorer att prata med varandra, vi behöver en ny typ av nätverk som kan upprätthålla denna kvantinformation. Med andra ord, ett kvantinternet.

För att göra kvantinternet måste vi bygga kvantanalogerna för varje element i det klassiska internet. Kvantanalogen av EDFA som används som förstärkare i våra nuvarande undervattensoptiska fibrer kallas en kvantrepeater. I tur och ordning, detta skulle kräva kvantminne, som används för att lagra och synkronisera informationstrafik i nätverket.

Forskare runt om i världen har arbetat med kvantminnen i över ett decennium, men lagrar kvantinformation för till och med 1/1, 000 av en sekund är utmanande. Vi behöver lagringstider på minst 1/10 sekund för kvantinternet.

Det har också varit väldigt svårt att skapa minnen som fungerar för ljus i fibertelekombandet, den våglängd som krävs för optiska fibrer.

Det bästa sättet hittills har varit att bygga minnet vid en annan våglängd, och att försöka koppla det till det optiska fiberbandet genom, till exempel, omvandling av ljusets våglängd vid ingången och utgången av minnet - en utmaning i sig.

Kommer erbium att hjälpa?

Eftersom erbium interagerar med ljus vid exakt rätt våglängd, det verkar vara det självklara valet för ett kvantminne. Dock, erbium är dåligt på att lagra kvantinformation.

Problemet är att erbium är känsligt för de små magnetfältsfluktuationerna som uppstår i kristaller, och detta försämrar snabbt all kvantinformation den innehåller.

Nyligen, vi fann att applicering av ett stort magnetfält avsevärt kan förbättra kvantlagringstiden för vissa erbiumkristaller. Detta fält, som liknar den inuti en MRI-maskin på sjukhus, tystar magnetfältsfluktuationerna. Lagringstiden för erbium kan då förbättras med en faktor 10, 000 till mer än 1 sekund.

Detta är det första systemet som är kompatibelt med de optiska fibrer som krävs för ett globalt kvantinternet som har en tillräckligt lång lagringstid för detta nätverk. Nästa steg är att bygga quantum repeaters med detta system, och installera dem på ett testnätverk för att mäta deras prestanda.

I framtiden, erbiummaterial kan vara lika integrerade i kvantinternet som de redan är för vårt nuvarande internet.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.