Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

Stel je een wereld voor waarin informatie niet wordt gedragen door elektrische stromen in draden, maar door individuele lichtdeeltjes. Deze deeltjes, bekend als fotonen, zijn de ideale boodschappers voor een nieuw soort internet dat een onkraakbare beveiliging en ongekende rekenkracht belooft. Echter, licht heeft een fatale tekortkoming: het kan niet worden gestopt. Zodra een foton een glasvezelkabel in wordt gestuurd, reist het totdat het verloren gaat of wordt geabsorbeerd. Het kan niet wachten. Dit maakt het bouwen van een wereldwijd netwerk onmogelijk, omdat signalen verzwakken over afstand, en in tegenstelling tot een traditioneel signaal dat gekopieerd en versterkt kan worden, kan een kwantumsignaal niet worden gekopieerd zonder de delicate informatie te vernietigen. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers een manier nodig om een vliegend foton te vangen, het stil te houden en het later exact zo vrij te geven als het was. Dit apparaat wordt een kwantumgeheugen genoemd. Het fungeert als een pauzeknop voor licht, waardoor het netwerk zijn operaties kan synchroniseren en zijn bereik over continenten kan uitbreiden.

Jarenlang hebben onderzoekers gezocht naar het perfecte materiaal om als deze pauzeknop te dienen. Ze hadden iets nodig dat solide is, gemakkelijk te bouwen is en in staat is om een kwantumtoestand voor een lange tijd vast te houden zonder dat deze vervaagt. Een veelbelovende kandidaat is voortgekomen uit de wereld van kristallen: zeldzame-aardionen. Dit zijn atomen van elementen zoals europium of praseodymium die in een kristalrooster zijn ingebed. Het unieke aan deze atomen is dat hun buitenste lagen fungeren als een schild, dat hun binnenste elektronen beschermt tegen de lawaaierige omgeving van het kristal. Deze bescherming stelt hen in staat om hun kwantumtoestand voor verrassend lange perioden vast te houden. Toch interfereert de omgeving nog steeds. Kleine fluctuaties in magnetische velden, veroorzaakt door de willekeurige beweging van atomen in het kristal of het aardmagnetisch veld zelf, zorgen ervoor dat de opgeslagen informatie verstoord raakt en verdwijnt.

Een team van onderzoekers aan de University of Science and Technology of China heeft nu een grote stap voorwaarts gezet in het temmen van deze interferentie. In een uitgebreide beoordeling van recente experimenten beschrijven zij hoe onderzoekers erin zijn geslaagd de levensduur van deze kwantumgeheugens te verlengen van seconden naar minuten, en in sommige gevallen zelfs naar uren. De sleutel tot dit succes ligt in twee slimme strategieën. Ten eerste identificeerden zij een specifieke magnetische veldsterkte waarbij de atomen van nature immuun zijn voor magnetische ruis. Het is alsof de atomen een "sweet spot" vinden waar de magnetische duw en trek elkaar perfect opheffen. Ten tweede, wanneer de atomen toch beginnen te driften, passen onderzoekers een reeks snelle radiofrequentie-pulsen toe. Deze pulsen werken als een zachte duw, die de atomen constant heroriënteert voordat ze hun weg kwijtraken, waardoor de informatie effectief op zijn plaats wordt bevroren.

De resultaten van dit werk worden op drie verschillende manieren gemeten, elk representatief voor een ander niveau van moeilijkheid. De eerste maatstaf is de "spin-coherentietijd", wat simpelweg is hoe lang de atomen hun kwantumuitlijning kunnen vasthouden voordat ze uit elkaar gaan drijven. Door kristallen te gebruiken die zijn gedoteerd met europiumionen en de magnetische sweet spot samen met de heroriënterende pulsen toe te passen, bereikten onderzoekers een recordbrekende coherentietijd van bijna zes uur. Dit betekent dat de atomen gesynchroniseerd bleven voor een duur die veel langer is dan bij enig vorig experiment met dit type materiaal.

De tweede maatstaf is de "lichtopslagtijd". Dit is de duur waarvoor een werkelijke lichtstraal kan worden opgevangen, wordt opgeslagen als een trilling binnen de atomen, en vervolgens weer als licht wordt uitgezonden. In eerdere experimenten met praseodymiumionen slaagden wetenschappers erin licht ongeveer 42 seconden op te slaan. Door over te schakelen naar de stabielere europiumkristallen en een andere opslagmethode te gebruiken die berust op een specifiek patroon van atomaire energieniveaus, breidden onderzoekers deze tijd uit naar meer dan 52 minuten. Zij demonstreerden dat een lichtpuls bijna een uur kon worden vastgehouden en vervolgens kon worden teruggehaald met zijn golfpatroon intact, wat bewees dat de informatie niet was verstoord.

De moeilijkste uitdaging, en de uitdaging die ons het dichtst bij een werkend kwantuminternet brengt, is de "kwantumopslagtijd". Dit houdt in dat niet alleen een heldere lichtstraal wordt opgeslagen, maar een enkel deeltje licht, of een enkel foton. Het opslaan van een enkel foton is ongelooflijk moeilijk omdat het proces zo efficiënt en stil moet zijn dat er geen extra ruis wordt toegevoegd, anders gaat het enkele foton verloren in de statische ruis. Eerdere pogingen worstelden om een enkel foton langer dan een paar milliseconden vast te houden. Echter, door de magnetische sweet spot, de heroriënterende pulsen en een nieuwe methode te combineren die voorkomt dat er extra ruis ontstaat tijdens het opslagproces, slaagden onderzoekers onder leiding van Lv et al. erin om single-photon-niveau inputs meer dan 27 seconden op te slaan. Bij deze duur behield het opgeslagen foton zijn kwantumnatuur, wat bewees dat het niet slechts een klassiek signaal was, maar een echt kwantumgeheugen.

Deze prestaties zijn niet slechts theoretische mijlpalen; ze wijzen naar een praktische toekomst. De onderzoekers merken op dat deze kristallen compatibel zijn met bestaande technologie, wat betekent dat ze geïntegreerd kunnen worden in kleine apparaten. Dit opent de deur naar "verplaatsbare kwantumgeheugens", waarbij een apparaat dat een kwantumgeheugen bevat, op een vrachtwagen, een drone of een satelliet geladen kan worden om kwantuminformatie tussen verre steden of zelfs door de ruimte te transporteren. Het vermogen om een kwantumtoestand een uur lang vast te houden, betekent dat een voertuig honderden kilometers kan afleggen terwijl de informatie veilig blijft, waardoor gaten wordt overbrugd die glasvezelkabels niet kunnen overbruggen. Hoewel er uitdagingen blijven bestaan, zoals het verbeteren van de efficiëntie van het opvangen van het licht en het kleiner maken van de apparatuur, vestigt dit werk de conclusie dat langdurige, solid-state kwantumgeheugens geen verre droom meer zijn, maar een tastbare realiteit.