ספין תת-שניוני ועל-גבול-תוחלתיות קוהרנטיות אופטי ב-171Yb3+:CaWO4

מדוע מצבים קוונטיים ארוכי-טווח חשובים

מחשבים קוונטיים ורשתות תקשורת מאובטחות באופן מקסימלי מבטיחים לשנות את הדרך שבה אנו מעבדים ומשתפים מידע, אך הם נשענים על מצבים קוונטיים שבירים שבדרך כלל מתפוררים בשברירי שנייה. המחקר הזה בוחן חומר גביש מוצק חדש שיכול לארח מצבים קוונטיים שעושים שימוש לאורך זמן ממושך באופן יוצא דופן וניתנים לשליטה באמצעות אור. על ידי שמירה על יציבות המצבים האלה הרבה יותר זמן מהמקובל, העבודה מקדמת צעד חשוב לקראת זיכרונות קוונטיים, ממשקים וחיישנים מעשיים.

בית חדש לביטים קוונטיים שבירים

החוקרים מתמקדים בגביש הנקרא טונגסטט הסידן (CaWO4) שנזרעו בו מספר קטן של יוני איבר האיטרביום מסוג מסוים, המכונים ¹⁷¹Yb³⁺. כל אחד מהיונים האלה מתנהג כמגנט קוונטי זעיר שבו גם האלקטרון וגם הגרעין תורמים לתכונה המגנטית. מאחר שהגביש מכיל מעט מאוד אטומים מגנטיים אחרים, הסביבה סביב כל יון איבר האיטרביום שקטה באופן יוצא דופן. רמת רעש רקע נמוכה זו חיונית: היא מאפשרת למצבים הקוונטיים של היונים להישאר לאורך זמן במקום להתערבב במהירות על ידי הפרעות מגנטיות אקראיות במוצק.

חקר המבנה המוסתר באמצעות אור ומגנטים

כדי להבין ולשלוט במצבים הקוונטיים האלו, הקבוצה נאלצה תחילה למפות בפירוט את סידור רמות האנרגיה של היונים. הם קיררו את הגביש למספר מעלות מעל האפס המוחלט וקרנו אליו אור לייזר יציב במיוחד תוך יישום שדות מגנטיים מבוקרים בקפידה. על ידי מדידת אופן ספיגת האור של הגביש בצבעים וקוטבויות מעט שונות, הם יכלו לקבוע כיצד ספינים אלקטרוניים וגרעיניים מתקשרים בתוך מצבי האנרגיה הנמוכים (ground) והגבוהים (excited) של היונים. פסגות הספיגה הנצפו היו חדות מאד, מה שמעיד שהיונים חווים סביבה כמעט זהה בתוך הגביש — דרישה מרכזית לשליטה אופטית מדויקת באנסמבל גדול של יונים.

יצירת זיכרונות ספין ארוכי-טווח

בעזרת תרשים הרמות הזה, החוקרים השתמשו בזוגות קרני לייזר כדי לתמרן את מצבי הספין של היונים באופן אופטי מלא, ללא שימוש במיקרוגל. הם תכננו רצף של פולסי אור שלוחצים תחילה כמעט את כל היונים למצב ספין יחיד ומדויק ואז הופכים אותם לזוג מצבים מיוחדים הידועים כמעבר "שעון". בתצורה זו, שני המצבים מגיבים כמעט באופן זהה לשדות מגנטיים חיצוניים, כך שתנודות בסביבה משפיעות במידה מועטה בלבד על המרווח האנרגטי ביניהם. מדידות הד של ספין — שבהן סדרת פולסים חשופה את משך הזמן שהספינים נשארים מסונכרנים — הראו שמצב הספין הקולקטיבי יכול לשמור על קוהרנטיות כ-0.15 שניות בשדה מגנטי אפס, ערך שיא למערכת מסוג זה בתנאים אלה.

אור שנזכר עד כמעט לגבול הטבעי שלו

הקבוצה גם חקרה כמה זמן המעברים האופטיים עצמם נשמרים מוגדרים היטב. באמצעות טכניקה שנקראת הד פוטון, שלחו שני פולסי אור ותצפתו על גביש שמפיח אות הד חלש שמגלה כמה מהר האינפורמציה הפאזית האופטית אובדת. הם מצאו שכאשר אוכלוסיית הספין מוכנה בקפידה כך שתהליכי החלפת ספינים מופרעים מדוכאים, זמן הקוהרנטיות האופטי מגיע לכ-0.75 מילישניות — כמעט בדיוק מה שמצופה מתוחלת החיים הטבעית של המצב המרגש. במילים אחרות, המגבלה העיקרית כבר אינה רעש סביבתי אלא החוק הבסיסי שיון מעורר חייב בסופו של דבר לפלוט פוטון ולהירגע. זוהי אחת מביצועי הקוהרנטיות האופטית הטובים ביותר שדווחו אי פעם עבור מקרין פרמגנטי במוצק.

לקראת מכשירים קוונטיים מעשיים

התוצאות מראות ש-¹⁷¹Yb³⁺ ב-CaWO4 משלב מספר תכונות רצויות: קווים אופטיים מופרדים בחדות שמאפשרים שליטה סלקטיבית, מצבי ספין שניתן לאתחל ולתמרן אך ורק באמצעות אור, ותוחלות חיים יוצאות דופן הן לספין והן לקוהרנטיות האופטית — גם ללא שימוש בשדה מגנטי חזק. המחברים טוענים שבעוד שמפחיתים את ריכוז יוני האיטרביום או מהנדסים את החומר נוספים, ניתן להאריך עוד יותר את התוחלות האלה. בזכות השילוב הייחודי של התכונות הללו, החומר מהווה מועמד חזק לטכנולוגיות קוונטיות עתידיות, כולל זיכרונות קוונטיים מבוססי אור, ממירים בין מיקרוגל לאור, וממשקי יון-יחיד שמקשרים ביטים קוונטיים סטציונריים לפוטונים המשייטים ברשתות אופטיות.

ציטוט: 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

מילות מפתח: זיכרון קוונטי, ספינים במוצק, יונים נדירי-אדמה, קוהרנטיות אופטי, רשתות קוונטיות