Coerenze ottiche limitate dalla durata e spin sub-secondo in 171Yb3+:CaWO4

Perché gli stati quantistici a lunga durata sono importanti

I computer quantistici e le reti di comunicazione ultra‑sicure promettono di trasformare il modo in cui elaboriamo e condividiamo informazioni, ma si basano su stati quantistici fragili che di solito scompaiono in frazioni di secondo. Questo studio esplora un nuovo materiale cristallino solido in grado di ospitare stati quantistici che durano sorprendentemente a lungo e possono essere controllati con la luce. Mantenendo questi stati stabili molto più a lungo del normale, il lavoro compie un passo importante verso memorie quantistiche, interfacce e sensori pratici.

Una nuova casa per bit quantistici fragili

I ricercatori si concentrano su un cristallo chiamato tungstato di calcio (CaWO4) contenente un piccolo numero di ioni di itterbio di un tipo specifico, noto come ¹⁷¹Yb³⁺. Ciascuno di questi ioni si comporta come un minuscolo magnete quantistico a cui contribuiscono sia l’elettrone sia il nucleo. Poiché il cristallo contiene pochissimi altri atomi magnetici, l’ambiente attorno a ogni ione di itterbio è insolitamente tranquillo. Questo basso livello di rumore di fondo è essenziale: permette agli stati quantistici degli ioni di sopravvivere a lungo invece di essere rapidamente deteriorati da disturbi magnetici casuali nel solido.

Esplorare la struttura nascosta con luce e campi magnetici

Per comprendere e controllare questi stati quantistici, il gruppo ha prima dovuto mappare in dettaglio come sono disposti i livelli energetici degli ioni. Hanno raffreddato il cristallo a pochi gradi sopra lo zero assoluto e vi hanno fatto passare luce laser altamente stabile mentre applicavano campi magnetici controllati con precisione. Misurando come il cristallo assorbiva la luce a colori e polarizzazioni leggermente diverse, hanno potuto determinare come interagiscono gli spin elettronici e nucleari sia negli stati a energia più bassa (ground) sia in quelli a energia più alta (eccitati) dell’ione. I picchi di assorbimento osservati erano estremamente netti, il che indica che gli ioni percepiscono un ambiente quasi identico nel cristallo, requisito fondamentale per il controllo ottico preciso di grandi insiemi di ioni.

Creare memorie di spin a lunga durata

Con questo diagramma di livelli, i ricercatori hanno usato coppie di fasci laser per manipolare gli stati di spin degli ioni in modo completamente ottico, senza ricorrere alle microonde. Hanno progettato una sequenza di impulsi di luce che prima spinge quasi tutti gli ioni in un singolo stato di spin ben scelto e poi li capovolge in una coppia speciale di stati nota come transizione “clock”. In questa configurazione, i due stati rispondono in modo quasi identico ai campi magnetici esterni, quindi le fluttuazioni ambientali hanno scarso effetto sul divario energetico tra di essi. Misure di spin echo — dove una serie di impulsi rivela per quanto tempo gli spin rimangono sincronizzati — hanno mostrato che lo stato collettivo di spin può rimanere coerente per circa 0,15 secondi a campo magnetico nullo, un valore record per questo tipo di sistema in queste condizioni.

La luce che conserva memoria fino quasi al suo limite naturale

Il team ha inoltre studiato per quanto tempo le transizioni ottiche restano ben definite. Utilizzando una tecnica chiamata photon echo, hanno inviato due impulsi di luce e osservato il cristallo emettere un debole segnale di eco che rivela quanto rapidamente si perde l’informazione di fase ottica. Hanno scoperto che, quando la popolazione di spin è preparata in modo da sopprimere i processi di scambio di spin disturbanti, il tempo di coerenza ottica raggiunge circa 0,75 millisecondi — quasi esattamente quanto ci si aspetta dalla vita naturale dello stato eccitato. In altre parole, il limite principale non è più il rumore ambientale ma la regola di base per cui un ione eccitato deve infine emettere un fotone e rilassarsi. Questa è una delle migliori prestazioni di coerenza ottica mai riportate per un emettitore paramagnetico in stato solido.

Verso dispositivi quantistici pratici

Questi risultati mostrano che ¹⁷¹Yb³⁺ in CaWO4 combina diverse proprietà molto desiderabili: linee ottiche ben risolte che permettono un controllo selettivo, stati di spin che possono essere inizializzati e manipolati interamente con la luce, e durate eccezionalmente lunghe sia per la coerenza di spin sia per quella ottica, anche senza applicare un forte campo magnetico. Gli autori sostengono che riducendo la concentrazione di ioni di itterbio o ingegnerizzando ulteriormente il materiale, queste durate potrebbero essere estese ancora di più. Grazie a questa combinazione unica di caratteristiche, il materiale è un forte candidato per future tecnologie quantistiche, incluse memorie quantistiche basate sulla luce, dispositivi che convertono segnali fra microonde e ottica e interfacce a singolo ione che collegano bit quantistici stazionari a fotoni che viaggiano in reti ottiche.

Citazione: 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

Parole chiave: memoria quantistica, spin in stato solido, ioni delle terre rare, coerenza ottica, rete quantistica