Subsekündliche Spin- und lebensdauergeschränkte optische Kohärenzen in 171Yb3+:CaWO4

Warum langlebige Quantenzustände wichtig sind

Quantencomputer und ultra‑sichere Kommunikationsnetze könnten unsere Informationsverarbeitung und ‑weitergabe fundamental verändern, sie beruhen jedoch auf fragilen Quantenzuständen, die normalerweise innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde verlorengehen. Diese Studie untersucht ein neues Festkörperkristallmaterial, das Quantenzustände beherbergen kann, die bemerkenswert lange anhalten und sich mit Licht kontrollieren lassen. Dadurch, dass diese Zustände viel länger stabil bleiben als üblich, ist die Arbeit ein wichtiger Schritt hin zu praktischen Quanten‑Speichern, Schnittstellen und Sensoren.

Ein neues Zuhause für fragile Qubits

Die Forschenden konzentrieren sich auf einen Kristall namens Calciotungstat (CaWO4), der mit einer kleinen Anzahl von Ytterbium‑Ionen eines bestimmten Typs dotiert ist, bekannt als ¹⁷¹Yb³⁺. Jede dieser Ionen verhält sich wie ein winziger Quantenmagnet, zu dem sowohl das Elektron als auch der Kern beitragen. Da der Kristall nur sehr wenige andere magnetische Atome enthält, ist die Umgebung jeder Ytterbium‑Ion ungewöhnlich ruhig. Dieses niedrige Hintergrundrauschen ist zentral: Es erlaubt den Quantenzuständen der Ionen, lange zu überdauern, anstatt schnell durch zufällige magnetische Störungen im Festkörper zerstört zu werden.

Die versteckte Struktur mit Licht und Magneten ausloten

Um diese Quantenzustände zu verstehen und zu kontrollieren, musste das Team zunächst detailliert die Anordnung der Energieniveaus der Ionen kartieren. Sie kühlten den Kristall auf nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt und bestrahlten ihn mit hochstabilem Laserlicht, während sie sorgfältig kontrollierte Magnetfelder anlegten. Durch Messungen der Lichtabsorption bei leicht unterschiedlichen Farben und Polarisationen konnten sie bestimmen, wie Elektronen‑ und Kernspins sowohl im niederenergetischen (Grund‑) als auch im angeregten Zustand der Ion miteinander wechselwirken. Die beobachteten Absorptionslinien waren extrem scharf, was bedeutet, dass die Ionen nahezu identische Umgebungen im Kristall erfahren — eine Schlüsselvoraussetzung für präzise optische Kontrolle großer Ionenensemble.

Langlebige Spin‑Gedächtnisse erzeugen

Mit diesem Energiediagramm nutzten die Forschenden Paarungen von Laserstrahlen, um die Spin‑Zustände der Ionen rein optisch zu manipulieren, ohne auf Mikrowellen zurückzugreifen. Sie entwarfen eine Sequenz von Lichtpulsen, die zunächst fast alle Ionen in einen einzelnen, wohlgewählten Spin‑Zustand bringt und sie dann in ein spezielles Zustandspaar umschaltet, bekannt als „Clock“‑Übergang. In dieser Konfiguration reagieren die beiden Zustände auf äußere Magnetfelder nahezu identisch, sodass Umweltschwankungen nur sehr geringen Einfluss auf die Energieauflösung zwischen ihnen haben. Spin‑Echo‑Messungen — bei denen eine Abfolge von Pulsen zeigt, wie lange die Spins kohärent miteinander bleiben — ergaben, dass der kollektive Spin‑Zustand bei null Magnetfeld etwa 0,15 Sekunden kohärent bleiben kann, ein Rekordwert für dieses System unter den gewählten Bedingungen.

Licht, das fast sein naturgegebenes Limit erreicht

Das Team untersuchte außerdem, wie lange die optischen Übergänge selbst gut definiert bleiben. Mit einer Technik namens Photon‑Echo schickten sie zwei Lichtpulse und beobachteten, dass der Kristall ein schwaches Echo‑Signal emittiert, das aufzeigt, wie schnell die optische Phaseninformation verloren geht. Sie fanden, dass, wenn die Spin‑Population so vorbereitet wird, dass störende Spin‑Austauschprozesse unterdrückt sind, die optische Kohärenzzeit etwa 0,75 Millisekunden erreicht — fast genau das, was von der natürlichen Lebensdauer des angeregten Zustands zu erwarten ist. Anders gesagt: Die Hauptbegrenzung ist nicht länger das Umgebungsrauschen, sondern die grundlegende Regel, dass ein angeregtes Ion schließlich ein Photon emittieren und relaxieren muss. Dies zählt zu den besten jemals berichteten optischen Kohärenzleistungen für einen paramagnetischen Festkörper‑Emitter.

Auf dem Weg zu praktischen Quantenbauteilen

Diese Ergebnisse zeigen, dass ¹⁷¹Yb³⁺ in CaWO4 mehrere sehr wünschenswerte Eigenschaften vereint: scharf aufgelöste optische Linien für selektive Kontrolle, Spin‑Zustände, die rein optisch initialisiert und manipuliert werden können, sowie außergewöhnlich lange Lebensdauern sowohl der Spin‑ als auch der optischen Kohärenz, selbst ohne Anlegen eines starken Magnetfelds. Die Autorinnen und Autoren argumentieren, dass durch Verringerung der Ytterbium‑Konzentration oder durch weitere Materialtechnik diese Lebensdauern noch weiter verlängert werden könnten. Wegen dieser einzigartigen Kombination von Eigenschaften ist das Material ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Quantentechnologien, einschließlich lichtbasierter Quantenspeicher, Bauteilen zur Wandlung zwischen Mikrowellen und Licht sowie Ein‑Ion‑Schnittstellen, die stationäre Qubits mit Photonen in optischen Netzwerken verbinden.

Zitation: Tiranov, A., Green, E., Hermans, S. et al. Sub-second spin and lifetime-limited optical coherences in ¹⁷¹Yb³⁺:CaWO₄. Nat Commun 17, 4115 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70534-9

Schlüsselwörter: Quanten‑Speicher, Festkörper‑Spins, Seltene‑Erd‑Ionen, Optische Kohärenz, Quantenvernetzung