Sub-seconde spin- en levensduur-beperkte optische coherenties in 171Yb3+:CaWO4

Waarom langlevende kwantumtoestanden ertoe doen

Kwantumcomputers en ultra-beveiligde communicatienetwerken beloven te veranderen hoe we informatie verwerken en delen, maar ze zijn afhankelijk van breekbare kwantumtoestanden die gewoonlijk binnen fracties van een seconde verdwijnen. Deze studie onderzoekt een nieuw vastkristalmateriaal dat kwantumtoestanden kan herbergen die opmerkelijk lang aanhouden en met licht kunnen worden aangestuurd. Door deze toestanden veel langer stabiel te houden dan gebruikelijk, zet het werk een belangrijke stap richting praktische kwantumgeheugens, interfaces en sensoren.

Een nieuw onderkomen voor kwetsbare qubits

De onderzoekers richten zich op een kristal genaamd calciumtungraat (CaWO4) met een kleine hoeveelheid ytterbiumionen van een specifiek type, bekend als ¹⁷¹Yb³⁺. Elk van deze ionen gedraagt zich als een kleine kwantummagneet waarbij zowel een elektron als een kern bijdragen aan het magnetische karakter. Omdat het kristal zeer weinig andere magnetische atomen bevat, is de omgeving rond elk ytterbiumion uitzonderlijk rustig. Dit lage achtergrondruisniveau is essentieel: het stelt de kwantumtoestanden van de ionen in staat lang te overleven in plaats van snel te worden verstoord door willekeurige magnetische storingen in de vaste stof.

De verborgen structuur onderzoeken met licht en magneten

Om deze kwantumtoestanden te begrijpen en te beheersen, moest het team eerst in detail in kaart brengen hoe de energieniveaus van de ionen zijn gerangschikt. Ze koelden het kristal tot slechts een paar graden boven het absolute nulpunt en schenen zeer stabiel laserlicht erdoor terwijl ze zorgvuldig gecontroleerde magneetvelden aanbrachten. Door te meten hoe het kristal licht absorbeerde bij licht verschillende kleuren en polarisaties, konden ze bepalen hoe de elektron- en kernenspin in zowel de lagere-energie (grond) als hogere-energie (geëxciteerde) toestanden van het ion met elkaar interageren. De waargenomen absorptiepiekjes waren extreem scherp, wat betekent dat de ionen vrijwel identieke omgevingen in het kristal ervaren—een belangrijke voorwaarde voor nauwkeurige optische controle van grote ensembles ionen.

Het creëren van langlevende spingeheugens

Gewapend met dit energiediagram gebruikten de onderzoekers paargewijs laserstralen om de spin-toestanden van de ionen volledig optisch te manipuleren, zonder microwaves te gebruiken. Ze ontwierpen een sequentie van lichtpulsen die eerst vrijwel alle ionen in één zorgvuldig gekozen spintoestand brengen en ze vervolgens omschakelen naar een speciaal paar toestanden die bekendstaan als een "klok"-transitie. In deze configuratie reageren de twee toestanden bijna identiek op externe magnetische velden, zodat fluctuaties in de omgeving weinig effect hebben op de energieverschillen tussen hen. Spin-echo metingen—waarbij een reeks pulsen onthult hoe lang de spins synchroon blijven—lieten zien dat de collectieve spintoestand ongeveer 0,15 seconden coherent kon blijven bij nul magnetisch veld, een recordwaarde voor dit soort systeem onder deze omstandigheden.

Licht dat bijna zijn natuurlijke grens onthoudt

Het team onderzocht ook hoe lang de optische overgangen zelf goed gedefinieerd blijven. Met een techniek genaamd foton-echo stuurden ze twee lichtpulsen en observeerden dat het kristal een zwak echo-signaal uitzond dat aangeeft hoe snel de optische fase-informatie verloren gaat. Ze vonden dat wanneer de spinpopulatie zorgvuldig wordt voorbereid zodat verstorende spin-uitwisselingsprocessen worden onderdrukt, de optische coherentietijd ongeveer 0,75 milliseconde bereikt—bijna precies wat verwacht wordt op basis van de natuurlijke levensduur van de geëxciteerde toestand. Met andere woorden, de belangrijkste beperking is niet langer omgevingsruis maar de fundamentele regel dat een geëxciteerd ion uiteindelijk een foton moet uitzenden en relaxeert. Dit is één van de beste optische coherentieprestaties die ooit gerapporteerd zijn voor een paramagnetische vaste-stof emitter.

Op weg naar praktische kwantumapparaten

Deze resultaten tonen aan dat ¹⁷¹Yb³⁺ in CaWO4 verschillende zeer wenselijke eigenschappen combineert: scherp gescheiden optische lijnen die selectieve controle mogelijk maken, spintoestanden die puur met licht kunnen worden geïnitialiseerd en gemanipuleerd, en uitzonderlijk lange levensduren voor zowel spin- als optische coherentie, zelfs zonder het toepassen van een sterk magnetisch veld. De auteurs stellen dat door het verminderen van de concentratie ytterbiumionen of door verdere materiaalingenieursmaatregelen, deze levensduren nog verder verlengd kunnen worden. Dankzij deze unieke combinatie van eigenschappen vormt het materiaal een sterke kandidaat voor toekomstige kwantumtechnologieën, waaronder lichtgebaseerde kwantumgeheugens, apparaten die signalen tussen microgolven en licht converteren, en single-ion interfaces die stationaire qubits koppelen aan fotonen die door optische netwerken reizen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: kwantumgeheugen, vaste-stof spins, zeldzame-aarde-ionen, optische coherentie, kwantumnetwerken