Kvantkommunikation och kryptografi är framtiden för högsäkerhetskommunikation. Men många utmaningar ligger framför ett världsomspännande kvantnätverk, inklusive spridning av kvantsignalen över långa avstånd. En av de stora utmaningarna är att skapa minnen med kapacitet att lagra kvantinformation som bärs av ljus. Forskare vid universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, i samarbete med CNRS, Frankrike, har upptäckt ett nytt material där ett element, ytterbium, kan lagra och skydda den ömtåliga kvantinformationen även när den arbetar vid höga frekvenser. Detta gör ytterbium till en idealisk kandidat för framtida kvantnätverk, där syftet är att sprida signalen över långa avstånd genom att fungera som repeaters. Dessa resultat publiceras i tidskriften Naturmaterial .

Kvantkryptografi använder idag optisk fiber över flera hundra kilometer och präglas av sin höga grad av säkerhet:det är omöjligt att kopiera eller fånga upp information utan att få den att försvinna.

Dock, det faktum att det är omöjligt att kopiera signalen hindrar också forskare från att förstärka den för att sprida den över långa avstånd, som är fallet med Wi-Fi-nätverket.

Att hitta rätt material för att producera kvantminnen

Eftersom signalen inte kan kopieras eller förstärkas utan att den försvinner, forskare arbetar för närvarande med hur man gör kvantminnen som kan upprepa det genom att fånga fotonerna och synkronisera dem så att de kan spridas längre och längre. Allt som återstår är att hitta rätt material för att skapa dessa kvantminnen. "Svårigheten är att hitta ett material som kan isolera den kvantinformation som förmedlas av fotonerna från miljöstörningar så att vi kan hålla fast vid dem en sekund eller så och synkronisera dem, " förklarar Mikael Afzelius, en forskare vid institutionen för tillämpad fysik vid UNIGE:s naturvetenskapliga fakultet. "Men en foton färdas runt 300, 000 km på en sekund!" Detta innebar att fysikerna och kemisterna var tvungna att gräva fram ett material som är mycket väl isolerat från störningar men som fortfarande kan arbeta vid höga frekvenser så att fotonen kan lagras och återställas snabbt - två egenskaper som ofta är anses oförenlig.

En "tipping point" för den "heliga gralen" av sällsynta jordartsmetaller

Även om laboratorietestade kvantminnesprototyper redan finns, inklusive de baserade på sällsynta jordartsmetaller som europium eller praseodym, deras hastighet är ännu inte tillräckligt hög. "Så, vi vände vårt intresse till en sällsynt jordart från det periodiska systemet som hittills bara fått lite uppmärksamhet:ytterbium, " förklarar Nicolas Gisin, professor vid institutionen för tillämpad fysik vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet och grundare av ID Quantique. "Vårt mål var att hitta det perfekta materialet för att göra kvantrepeterare, som innebär isolering av atomer från sin miljö, som tenderar att störa signalen, ", tillägger professor Gisin. Och detta verkar vara fallet med ytterbium!

UNIGE och CNRS fysiker upptäckte att, genom att utsätta denna sällsynta jordart för mycket exakta magnetfält, atomen av sällsynta jordartsmetaller går in i ett tillstånd av okänslighet som skär den av från störningarna i sin miljö, vilket gör det möjligt att fånga fotonen så att den kan synkroniseras. "Vi hittade en "magisk punkt" genom att variera amplituden och riktningen på magnetfältet, "säg Alexey Tiranov, en forskare vid institutionen för tillämpad fysik vid UNIGE, och Philippe Goldner, en forskare vid Chimie Paris forskningsinstitut. "När denna punkt är nådd, koherenstiderna för ytterbiumatomerna ökas med en faktor 1, 000, medan du arbetar på höga frekvenser!"

Fördelarna med ytterbium

Fysikerna håller nu på att bygga ytterbiumbaserade kvantminnen som kan användas för att snabbt göra övergångar från en repeater till en annan samtidigt som fotonen behålls så länge som möjligt för att möjliggöra den nödvändiga synkroniseringen. "Detta material öppnar upp ett nytt fält av möjligheter för att skapa ett globalt kvantnätverk; det understryker också vikten av att bedriva grundforskning parallellt med mer tillämpad forskning, som att skapa ett kvantminne, avslutar Afzelius.