לעבר קשרים קוונטיים תואמי-תקשורת באמצעות גבישים סטויכיומטריים של EuCl3 ⋅ 6H2O מושרים בארביום

בניית אינטרנט קוונטי לעתיד

האינטרנט של היום מעביר ביטים קלאסיים — אפסים ואחדים — סביב הגלובוס במהירות האור. "אינטרנט קוונטי" עתידי יחלק במקום זאת מצבים קוונטיים עדינים, דבר שיאפשר תקשורת על-בטוחה וחישוב מבוזר חזק. כדי להפוך את החזון הזה למציאות, החוקרים זקוקים לצמתי חומר מיוחדים שיכולים לאחסן מידע קוונטי בצורה אמינה ולהתחבר לרשתות הסיבים הקיימות. מאמר זה בוחן חומר מצב מוצק מבטיח שיכול לשמש כגרעין של צמתים קוונטיים כאלה, וקירב זיכרונות קוונטיים ארוכי-טווח לעולם הסיבים הטלפוניים היומיומי.

שני אטומים מועילים שעובדים כצוות

העבודה מתמקדת בגביש שמרביתו מורכב מיוני אירופיום, לתוכו הוכנסו במכוון מספר קטן של יוני ארביום. כל יון מתנהג כמערכת קוונטית זעירה עם רמות אנרגיה שיכולות לאחסן מידע. האירופיום מצטיין בשמירה על מצבים קוונטיים לפרקי זמן ארוכים, אך אינו פולט באופן טבעי אור באורכי גל המשמשים בכבלי הסיבים הסטנדרטיים. הארביום הפוך: הוא סופג ופולט אור סביב 1.5 מיקרון, אותו תחום המשמש בקישורי טלקום מרחיקי-לכת, אך בדרך-כלל בעל זמני קוהרנטיות קצרים יותר. באמצעות שילוב שתי האוכלוסיות האלה בגביש מבוקר בקפידה, הצוות שואף להשתמש בארביום כממשק ידידותי לאור ובאירופיום כזיכרון קוונטי חזק — הכל באותו גוש מוצק.

לראות שינויים מקומיים בתוך הגביש

הוספת אטומי ארביום מעוותת במעט את הסריג סביבם, ומשנה את האופן שבו יוני האירופיום הסמוכים בולעים אור. החוקרים משתמשים בספקטרוסקופיית לייזר ברזולוציה מאוד גבוהה כדי לזהות שינויים זעירים אלה כ"קווי לוויין" בספקטרום הספיגה — שיאים נוספים מוזחים רק במיליארדיות תדירות האופטית. כל קו לוויין מתאים לקבוצת יוני אירופיום היושבת במיקום מסוים ביחס לשכן ארביום. על-ידי מדידת האופן שבו קווים אלה נעים ומתרחבים עם שינויי טמפרטורה ושדה מגנטי, הצוות יכול למפות עד כמה כל קבוצת אירופיום מושפעת מהשותף הארביום וכיצד השפעה זו מתפתחת בתנאים שונים.

להשאיר מצבים קוונטיים שקטים ויציבים

אתגר מרכזי הוא דעיכה של הקוהרנטיות: תנודות אקראיות בסביבה המקומית שמבלבלות מצבים קוונטיים עדינים. המחברים בוחנים זאת באמצעות טכניקות הדהוד פוטון, שבהן זוגות או משולשי פולסים קצרים של לייזר מרעננים את הפאזה של האנסמבל האטומי, ויוצרים הֶד שהעוצמה שלו חושפת כמה מהר הקוהרנטיות אובדת. הם מגלים שלטמפרטורות אולטרה-נמוכות סביב 60 מיליקלווין, יוני האירופיום שקרובים לארביום עדיין שומרים על זמני קוהרנטיות אופטית שדומים לגביש אירופיום טהור — כלומר תוספת הארביום אינה פוגעת משמעותית בביצועים. עם העלייה בטמפרטורה מעל כ־2 קלוין, תנועות ספיני האלקטרון של הארביום מכניסות רעש נוסף שמאיץ את הדעיכה, אך באופן שניתן למודליזציה כמותית.

קיפאון התנועה בעזרת שדות מגנטיים

הצוות מפעיל שדות מגנטיים ומסובב אותם סביב הגביש, תוך ניצול התגובה המגנטית החזקה וכיוונית מאוד של ספיני הארביום. בעוצמות ושיטות זווית מסוימות, פיצול האנרגיה של מצבי הספין של הארביום נהיה גדול מספיק שכמעט כל הספינים סוחפים למצבם התחתון ונמנעים מהתהפכות. "גרעין קפוא" זה מרגיע את הסביבה המגנטית סביב יוני האירופיום הסמוכים. בתנאים מיטביים — כ־0.1 טסלה בכיוון מסוים — זמן הקוהרנטיות האופטית של האירופיום מתארך מכ־60 מיקרו־שנייה לכ־160 מיקרו־שנייה, קרוב מאוד לגבול שנקבע על-ידי חיי המצב המופלג. עוד מרשים, זמן החיים של מצבי ההיפר-פיין של האירופיום, היכולים לשמש כזיכרונות קוונטיים ארוכי-טווח מאוד, מתארך ליותר משעה, ומרמז על קוהרנטיות פוטנציאלית בסדר גודל של כשעתיים.

איזון ביצועים לצמתי קוונטום אמיתיים

תוצאות אלה מראות כי גבישים של אירופיום מושרים בארביום יכולים לפעול כצמתי קוונטום היברידיים הידידותיים גם לסיבי טלקום וגם לאחסון מידע קוונטי לתקופות ארוכות מאוד. האינטראקציות הנמדדות בין הארביום ויוני האירופיום הסמוכים — בסדרי גודל של עשרות עד מאות קילוהרץ — חזקות מספיק כדי לדמיין פעולות קוונטיות מבוקרות שמעבירות מצבים קוונטיים בין ממשק פוטון-טלקום וזיכרון צפוף של אירופיום. המחברים מדגישים גם פשרות מעשיות: הגדלת כמות הארביום משפרת את הקשר של הגביש לאור אך עלולה להוסיף רעש ומתח בסריג שיכווצו את זמני הקוהרנטיות. על-ידי כוונון מדויק של רמת ההשראה, הטמפרטורה ושדה המגנטי, מהנדסים עשויים לבנות התקנים במצב מוצק שיקלטו אותות קוונטיים המגיעים דרך סיבים אופטי רגילים, ישמרו אותם לעומק הגביש למשך שניות ויותר, ואז ישחררו אותם בנאמנות על פי דרישה — יכולות מפתח לרשת קוונטית גלובלית עתידית.

ציטוט: Guo, M., Xiao, W., Li, Z. et al. Towards telecom-compatible quantum nodes using erbium-doped stoichiometric EuCl₃ ⋅ 6H₂O crystals. npj Quantum Inf 12, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01203-4

מילות מפתח: זיכרון קוונטי, פוטונים לתקשורת טלפונית, יוני נדירים, מחזירי קוונטום, קיוּביטים במצב מוצק