Półsekundowe spiny i koherencje optyczne ograniczone czasem życia w 171Yb3+:CaWO4

Dlaczego długotrwałe stany kwantowe są ważne

Komputery kwantowe i ultra-bezpieczne sieci komunikacyjne mogą zrewolucjonizować przetwarzanie i wymianę informacji, ale opierają się na delikatnych stanach kwantowych, które zwykle zanikają w ułamkach sekundy. W tej pracy badano nowy materiał krystaliczny w stanie stałym, który może gościć stany kwantowe trwające wyjątkowo długo i sterowalne przy użyciu światła. Utrzymując te stany stabilne znacznie dłużej niż zwykle, badanie to stanowi istotny krok w kierunku praktycznych pamięci kwantowych, interfejsów i czujników.

Nowy dom dla delikatnych kubitów

Naukowcy skupili się na krysztale zwanym tungstanianem wapnia (CaWO4) domieszkowanym niewielką ilością jonów iterbu o określonym typie, znanych jako ¹⁷¹Yb³⁺. Każdy z tych jonów zachowuje się jak maleńki magnes kwantowy, na którego własności magnetyczne składają się zarówno elektron, jak i jądro. Ponieważ kryształ zawiera bardzo mało innych magnetycznych atomów, otoczenie wokół każdego jonu iterbu jest wyjątkowo ciche. Ten niski poziom tła hałasu jest kluczowy: pozwala stanom kwantowym jonów przetrwać przez dłuższy czas zamiast zostać szybko zniszczonym przez losowe zaburzenia magnetyczne w ciele stałym.

Badanie ukrytej struktury światłem i magnesami

Aby zrozumieć i kontrolować te stany kwantowe, zespół najpierw musiał szczegółowo odwzorować rozmieszczenie poziomów energetycznych jonów. Schłodzili kryształ do zaledwie kilku stopni powyżej zera bezwzględnego i naświetlali go wysoko stabilnym laserem przy jednoczesnym stosowaniu precyzyjnie kontrolowanych pól magnetycznych. Mierząc, jak kryształ absorbuje światło o nieco różnych barwach i polaryzacjach, określili, jak spin elektronu i jądra oddziałują zarówno w stanach niższej energii (podstawowych), jak i wyższej energii (wzbudzonych) jonu. Zaobserwowane piki absorpcji były niezwykle ostre, co oznacza, że jony widzą niemal identyczne otoczenie w krysztale — to kluczowy warunek precyzyjnej optycznej kontroli dużych zespołów jonów.

Tworzenie długotrwałych pamięci spinowych

Posiadając ten diagram poziomów, badacze użyli par wiązek laserowych do manipulacji stanami spinowymi jonów w pełni optycznie, bez użycia mikrofal. Opracowali sekwencję impulsów świetlnych, która najpierw wypycha niemal wszystkie jony do jednego, starannie wybranego stanu spinowego, a następnie przełącza je do specjalnej pary stanów znanej jako przejście „zegara”. W tej konfiguracji oba stany reagują niemal identycznie na zewnętrzne pola magnetyczne, więc fluktuacje otoczenia mają bardzo niewielki wpływ na przerwę energetyczną między nimi. Pomiary echa spinowego — w których seria impulsów ujawnia, jak długo spiny pozostają ze sobą w fazie — wykazały, że zbiorowy stan spinowy może zachować koherencję przez około 0,15 sekundy przy zerowym polu magnetycznym, co jest rekordową wartością dla tego typu systemu w tych warunkach.

Światło, które pamięta niemal do swojego naturalnego limitu

Zespół badał również, jak długo same przejścia optyczne pozostają dobrze określone. Używając techniki zwanej echem fotonowym, wysłali dwa impulsy świetlne i zaobserwowali słaby sygnał echa emitowany przez kryształ, który ujawnia, jak szybko ginie informacja o fazie optycznej. Stwierdzili, że gdy populacja spinowa jest starannie przygotowana tak, by stłumić destrukcyjne procesy wymiany spinów, czas koherencji optycznej osiąga około 0,75 milisekundy — niemal dokładnie tyle, ile wynika z naturalnego czasu życia stanu wzbudzonego. Innymi słowy, głównym ograniczeniem nie jest już hałas środowiskowy, lecz podstawowa zasada, że wzbudzony jon ostatecznie emituje foton i relaksuje się. To jedna z najlepszych wydajności koherencji optycznej kiedykolwiek zgłoszonych dla paramagnetycznego emitera w stanie stałym.

W kierunku praktycznych urządzeń kwantowych

Wyniki te pokazują, że ¹⁷¹Yb³⁺ w CaWO4 łączy kilka wysoce pożądanych cech: wyraźnie rozdzielone linie optyczne umożliwiające selektywną kontrolę, stany spinowe, które można inicjalizować i manipulować wyłącznie światłem, oraz wyjątkowo długie czasy życia zarówno koherencji spinowej, jak i optycznej, nawet bez stosowania silnego pola magnetycznego. Autorzy sugerują, że przez zmniejszenie koncentracji jonów iterbu lub dalsze inżynierskie udoskonalanie materiału te czasy życia można by jeszcze wydłużyć. Dzięki temu unikalnemu zestawowi cech materiał jest silnym kandydatem do przyszłych technologii kwantowych, w tym pamięci kwantowych opartych na świetle, urządzeń konwertujących sygnały między mikrofalami a światłem oraz interfejsów pojedynczych jonów łączących stacjonarne kubity z fotonami przemieszczającymi się w sieciach optycznych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: pamięć kwantowa, spiny w ciałach stałych, jony ziem rzadkich, koherencja optyczna, sieci kwantowe