К телекоммуникационно-совместимым квантовым узлам на основе стехиометрических кристаллов EuCl3 ⋅ 6H2O, легированных эрбием

Создание будущего квантового Интернета

Современный интернет перемещает классические биты информации — нули и единицы — по всему миру со скоростью света. Будущий «квантовый интернет» вместо этого будет распространять хрупкие квантовые состояния, что обеспечит сверхбезопасную связь и мощные распределённые вычисления. Чтобы эта идея стала реальностью, исследователям нужны специальные аппаратные узлы, способные надёжно хранить квантовую информацию и взаимодействовать с существующими волоконными сетями. В статье рассматривается перспективный твердотельный материал, который мог бы стать сердцем таких квантовых узлов, связывая долговременные квантовые памяти и повседневные телеком-волокна.

Два полезных атома, работающие в команде

Работа сосредоточена на кристалле, состоящем в основном из ионов европия, в который намеренно внедрено небольшое количество ионов эрбия. Каждый ион ведёт себя как крошечная квантовая система с энергетическими уровнями, способными хранить информацию. Европий превосходно удерживает квантовые состояния в течение длительного времени, но сам по себе не излучает свет на длинах волн, используемых в стандартных оптических волокнах. Эрбий, напротив, естественно испускает и поглощает свет около 1,5 микрометра — в том же диапазоне, что и магистральные телекоммуникации — но обычно имеет более короткие времена когерентности. Комбинируя эти два вида в тщательно контролируемом кристалле, команда стремится использовать эрбий как удобный интерфейс для света, а европий — как надёжную квантовую память, всё внутри одной твёрдой структуры.

Наблюдение локальных изменений внутри кристалла

Добавление атомов эрбия слегка деформирует кристалл вокруг них, меняя то, как близлежащие ионы европия поглощают свет. Исследователи используют высокоразрешающую лазерную спектроскопию, чтобы обнаружить эти крошечные изменения как «сателлитные линии» в спектре поглощения — дополнительные пики, сдвинутые лишь на несколько миллиардных долей оптической частоты. Каждая сателлитная линия соответствует ионам европия, находящимся в определённой позиции относительно соседа-эрбия. Измеряя, как эти линии смещаются и расширяются с изменением температуры и магнитного поля, команда может воссоздать карту того, насколько сильно каждая группа европия испытывает влияние своего партнёра-эрбия и как это влияние меняется при разных условиях.

Сохранение квантовых состояний тихими и стабильными

Ключевая проблема — декогерентность: случайные флуктуации локальной среды, которые перемешивают хрупкие квантовые состояния. Авторы изучают это с помощью методов фотон-эхо, при которых пары или тройки коротких лазерных импульсов вновь фокусируют ансамбль атомов, порождая эхо, сила которого показывает, как быстро теряется когерентность. Они обнаруживают, что при ультнизких температурах около 60 милликелвин ионы европия, находящиеся рядом с эрбием, сохраняют оптические времена когерентности, сопоставимые с чистым кристаллом европия, то есть добавление эрбия не наносит существенного ущерба. По мере повышения температуры выше примерно 2 кельвинов движения электронных спинов эрбия вносят дополнительный шум, ускоряющий декогерентность, но это поведение поддаётся количественному моделированию.

Замораживание движений с помощью магнитных полей

Затем команда включает магнитные поля и вращает их вокруг кристалла, используя сильную и высоко направленную магнитную реакцию спинов эрбия. При определённых величинах и ориентациях поля энергетическое расщепление спиновых состояний эрбия становится достаточным, чтобы большинство спинов заняли своё основное состояние и перестали перекидываться. Это «замороженное ядро» успокаивает магнитное окружение вокруг соседних ионов европия. При оптимальных условиях — около 0,1 тесла в конкретной ориентации — оптическое время когерентности европия растягивается с примерно 60 микросекунд до около 160 микросекунд, что очень близко к пределу, установленному естественным временем жизни возбужденного состояния. Ещё более впечатляет время жизни гиперземельных состояний европия, которые могут служить долговременными квантовыми памятьями: оно увеличивается более чем до часа, что указывает на потенциальную когерентность порядка двух часов.

Балансировка характеристик для реальных квантовых узлов

Эти результаты показывают, что кристаллы европия, легированные эрбием, могут выступать гибридными квантовыми узлами, одновременно совместимыми с телеком-волокнами и способными хранить квантовую информацию чрезвычайно долго. Измеренные взаимодействия между эрбием и ближайшими ионами европия — порядка десятков до сотен килогерц — достаточно сильны, чтобы представить управляемые квантовые операции, передающие квантовые состояния между интерфейсом для телеком-фотона и плотной памятью из европия. Авторы также отмечают практические компромиссы: увеличение концентрации эрбия улучшает связывание кристалла со светом, но повышает риск дополнительного шума и деформации решётки, что сокращает времена когерентности. При тщательной настройке концентрации легирования, температуры и магнитного поля инженеры могут создать твердотельные устройства, которые захватывают квантовые сигналы, приходящие по обычным оптическим волокнам, хранят их глубоко в кристалле в течение секунд и дольше, а затем достоверно выпускают по требованию — ключевые возможности для будущей глобальной квантовой сети.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовая память, телеком-фотоны, ионы редкоземельных элементов, квантовые ретрансляторы, твердотельные кубиты