Coherencias ópticas limitadas por la vida media y espines sub-segundo en 171Yb3+:CaWO4

Por qué importan los estados cuánticos de larga duración

Los ordenadores cuánticos y las redes de comunicación ultra-seguras prometen transformar la forma en que procesamos y compartimos información, pero dependen de estados cuánticos frágiles que normalmente desaparecen en fracciones de segundo. Este estudio explora un nuevo material cristalino sólido que puede acoger estados cuánticos con una duración notablemente larga y que pueden ser controlados mediante luz. Al mantener estos estados estables durante mucho más tiempo de lo habitual, el trabajo avanza de forma importante hacia memorias cuánticas, interfaces y sensores prácticos.

Un nuevo hogar para bits cuánticos frágiles

Los investigadores se centran en un cristal llamado tungstato de calcio (CaWO4) al que se añade una pequeña cantidad de iones de iterbio de un tipo específico, conocido como ¹⁷¹Yb³⁺. Cada uno de estos iones se comporta como un diminuto imán cuántico con contribuciones tanto del electrón como del núcleo a su carácter magnético. Debido a que el cristal contiene muy pocos otros átomos magnéticos, el entorno alrededor de cada ion de iterbio es inusualmente silencioso. Este bajo nivel de ruido de fondo es esencial: permite que los estados cuánticos de los iones perduren durante mucho tiempo en lugar de ser rápidamente desordenados por perturbaciones magnéticas aleatorias en el sólido.

Explorar la estructura oculta con luz y campos magnéticos

Para entender y controlar estos estados cuánticos, el equipo primero trazó con detalle cómo están dispuestos los niveles de energía de los iones. Enfriaron el cristal a apenas unos grados por encima del cero absoluto y hicieron pasar por él luz láser muy estable mientras aplicaban campos magnéticos cuidadosamente controlados. Midiendo cómo el cristal absorbía luz en colores y polarizaciones ligeramente distintos, pudieron determinar cómo interactúan los espines electrónicos y nucleares tanto en los estados de menor energía (fundamental) como en los de mayor energía (excitado) del ion. Los picos de absorción observados eran extremadamente nítidos, lo que indica que los iones ven entornos casi idénticos en el cristal, un requisito clave para el control óptico preciso de grandes conjuntos de iones.

Creando memorias de espín de larga duración

Con ese diagrama de niveles, los investigadores usaron pares de haces láser para manipular los estados de espín de los iones de forma totalmente óptica, sin recurrir a microondas. Diseñaron una secuencia de pulsos de luz que primero dirige a casi todos los iones hacia un único estado de espín bien elegido y luego los invierte hacia un par especial de estados conocido como transición de "reloj". En esta configuración, los dos estados responden casi de forma idéntica a los campos magnéticos externos, de modo que las fluctuaciones del entorno tienen muy poco efecto sobre la separación energética entre ellos. Mediciones de eco de espín —donde una serie de pulsos revela cuánto tiempo permanecen los espines sincronizados— mostraron que el estado colectivo de espín podía mantenerse coherente durante aproximadamente 0,15 segundos en campo magnético nulo, un valor récord para este tipo de sistema en esas condiciones.

Luz que recuerda casi hasta su límite natural

El equipo también estudió cuánto tiempo permanecen bien definidas las propias transiciones ópticas. Usando una técnica llamada eco de fotones, enviaron dos pulsos de luz y observaron que el cristal emitía una tenue señal de eco que revela con qué rapidez se pierde la información de fase óptica. Encontraron que, cuando la población de espines se prepara cuidadosamente para suprimir los procesos disruptivos de intercambio de espín, el tiempo de coherencia óptica alcanza alrededor de 0,75 milisegundos —casi exactamente lo que se espera a partir de la vida media natural del estado excitado. En otras palabras, el límite principal deja de ser el ruido ambiental y pasa a ser la regla básica de que un ion excitado debe finalmente emitir un fotón y relajarse. Este es uno de los mejores desempeños de coherencia óptica jamás reportados para un emisor paramagnético en estado sólido.

Hacia dispositivos cuánticos prácticos

Estos resultados muestran que ¹⁷¹Yb³⁺ en CaWO4 combina varias propiedades muy deseables: líneas ópticas fuertemente resueltas que permiten un control selectivo, estados de espín que pueden inicializarse y manipularse únicamente con luz, y vidas útiles excepcionalmente largas tanto para la coherencia de espín como para la coherencia óptica, incluso sin aplicar un campo magnético fuerte. Los autores sostienen que reduciendo la concentración de iones de iterbio o ingeniería adicional del material, estas vidas útiles podrían extenderse aún más. Debido a esta combinación única de rasgos, el material es un candidato potente para tecnologías cuánticas futuras, incluidas memorias cuánticas basadas en luz, dispositivos que conviertan señales entre microondas y luz, e interfaces de ion único que enlacen bits cuánticos estacionarios con fotones que viajan por redes ópticas.

Cita: 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

Palabras clave: memoria cuántica, espines en estado sólido, iones de tierras raras, coherencia óptica, redes cuánticas