Coerências ópticas limitadas pela vida útil e spin subsegundo em 171Yb3+:CaWO4

Por que estados quânticos de longa duração importam

Computadores quânticos e redes de comunicação ultra-seguras prometem transformar como processamos e compartilhamos informação, mas dependem de estados quânticos frágeis que normalmente desaparecem em frações de segundo. Este estudo explora um novo cristal sólido que pode hospedar estados quânticos que duram surpreendentemente mais e podem ser controlados por luz. Mantendo esses estados estáveis por muito mais tempo do que o habitual, o trabalho dá um passo importante rumo a memórias, interfaces e sensores quânticos práticos.

Um novo lar para qubits frágeis

Os pesquisadores se concentraram em um cristal chamado tungstato de cálcio (CaWO4) dopado com uma pequena quantidade de íons de ítrio bário de um tipo específico, conhecido como ¹⁷¹Yb³⁺. Cada um desses íons se comporta como um pequeno ímã quântico, com elétron e núcleo contribuindo para sua característica magnética. Como o cristal contém muito poucos outros átomos magnéticos, o ambiente ao redor de cada íon de ítrio bário é incomumente calmo. Esse baixo nível de ruído de fundo é essencial: permite que os estados quânticos dos íons sobrevivam por longos períodos em vez de serem rapidamente embaralhados por perturbações magnéticas aleatórias no sólido.

Explorando a estrutura interna com luz e ímãs

Para entender e controlar esses estados quânticos, a equipe primeiro teve que mapear em detalhe como os níveis de energia dos íons estão organizados. Eles resfriaram o cristal a poucos graus acima do zero absoluto e iluminaram-no com luz laser altamente estável enquanto aplicavam campos magnéticos cuidadosamente controlados. Medindo como o cristal absorvia luz em cores e polarizações ligeiramente diferentes, puderam determinar como os spins eletrônicos e nucleares interagem tanto nos estados de menor energia (fundamental) quanto nos de maior energia (excitados) do íon. Os picos de absorção observados eram extremamente nítidos, o que significa que os íons percebem ambientes quase idênticos no cristal — um requisito chave para o controle óptico preciso de grandes conjuntos de íons.

Criando memórias de spin de longa duração

Munidos desse diagrama de níveis, os pesquisadores usaram pares de feixes de laser para manipular os estados de spin dos íons de forma totalmente óptica, sem depender de micro-ondas. Eles desenharam uma sequência de pulsos de luz que primeiro coloca quase todos os íons em um único estado de spin bem escolhido e então os inverte para um par especial de estados conhecido como transição "clock". Nessa configuração, os dois estados respondem quase identicamente a campos magnéticos externos, de modo que flutuações no ambiente têm muito pouco efeito na diferença de energia entre eles. Medições de spin echo — em que uma série de pulsos revela por quanto tempo os spins permanecem em fase — mostraram que o estado coletivo de spin podia manter coerência por cerca de 0,15 segundos em campo magnético zero, um valor recorde para esse tipo de sistema nessas condições.

Luz que lembra quase até seu limite natural

A equipe também estudou por quanto tempo as próprias transições ópticas permanecem bem definidas. Usando uma técnica chamada eco de fótons, enviaram dois pulsos de luz e observaram o cristal emitir um fraco sinal de eco que revela quão rápido a informação de fase óptica é perdida. Eles descobriram que, quando a população de spins é cuidadosamente preparada de modo que processos disruptivos de troca de spin sejam suprimidos, o tempo de coerência óptica atinge cerca de 0,75 milissegundos — quase exatamente o que se espera a partir da vida útil natural do estado excitado. Em outras palavras, o limite principal deixa de ser o ruído ambiental e passa a ser a regra básica de que um íon excitado acabará emitindo um fóton e relaxando. Este é um dos melhores desempenhos de coerência óptica já relatados para um emissor paramagnético em estado sólido.

Rumo a dispositivos quânticos práticos

Esses resultados mostram que ¹⁷¹Yb³⁺ em CaWO4 combina várias propriedades altamente desejáveis: linhas ópticas nitidamente resolvidas que permitem controle seletivo, estados de spin que podem ser inicializados e manipulados puramente com luz, e tempos de vida excepcionalmente longos tanto para coerência de spin quanto óptica, mesmo sem aplicar um campo magnético forte. Os autores argumentam que, ao reduzir a concentração de íons de ítrio bário ou ao engenheirar ainda mais o material, esses tempos de vida poderiam ser estendidos ainda mais. Por causa dessa combinação única de características, o material é um forte candidato para tecnologias quânticas futuras, incluindo memórias quânticas baseadas em luz, dispositivos que convertem sinais entre micro-ondas e luz, e interfaces de íon único que ligam qubits estacionários a fótons viajando em redes ópticas.

Citação: 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

Palavras-chave: memória quântica, spins em estado sólido, íons de terras raras, coerência óptica, rede quântica