Spinn på under en sekund och livslängdsbegränsade optiska kohärenser i 171Yb3+:CaWO4

Varför långtlevande kvanttillstånd spelar roll

Kvantdatorer och ultrasäkra kommunikationsnät lovar att förändra hur vi bearbetar och delar information, men de bygger på sköra kvanttillstånd som vanligtvis försvinner på bråkdelen av en sekund. Denna studie undersöker ett nytt fast kristallmaterial som kan hysa kvanttillstånd som varar anmärkningsvärt länge och som kan styras med ljus. Genom att hålla dessa tillstånd stabila mycket längre än normalt tar arbetet ett viktigt steg mot praktiska kvantminnen, gränssnitt och sensorer.

En ny miljö för sköra kvantbitar

Forskarna fokuserar på en kristall kallad kalciumtungstat (CaWO4) som är dopad med ett litet antal ytterbiumjoner av en specifik sort, känd som ¹⁷¹Yb³⁺. Var och en av dessa joner beter sig som en liten kvantmagnet där både en elektron och en kärna bidrar till dess magnetiska karaktär. Eftersom kristallen innehåller mycket få andra magnetiska atomer är omgivningen runt varje ytterbiumjon ovanligt tyst. Denna låga nivå av bakgrundsbrus är avgörande: den tillåter jonernas kvanttillstånd att överleva länge i stället för att snabbt störas sönder av slumpmässiga magnetiska fluktuationer i den fasta kroppen.

Undersöka den dolda strukturen med ljus och magneter

För att förstå och kontrollera dessa kvanttillstånd måste teamet först kartlägga i detalj hur jonernas energinivåer är ordnade. De kylde ner kristallen till bara några grader över absoluta nollpunkten och lyste igenom den med mycket stabil laserljus samtidigt som de applicerade noggrant kontrollerade magnetfält. Genom att mäta hur kristallen absorberade ljus vid något olika färger och polariseringar kunde de bestämma hur elektron- och kärnspinnen samverkar i både lägre-energi (grund-) och högre-energi (exciterade) tillstånd hos jonen. De observerade absorptionstopparna var extremt skarpa, vilket betyder att jonerna ser nästan identiska omgivningar i kristallen — ett nyckelkrav för precis optisk kontroll av stora ensemble av joner.

Skapa långtlevande spinnminnen

Beväpnade med denna nivådiagram använde forskarna par av laserstrålar för att manipulera jonernas spinn­tillstånd på ett helt optiskt sätt, utan att förlita sig på mikrovågor. De designade en följd av ljuspulser som först pressar nästan alla joner in i ett enda, väl valt spinn­tillstånd och sedan flipper dem in i ett särskilt par av tillstånd känt som en "klock"-övergång. I denna konfiguration reagerar de två tillstånden nästan identiskt på yttre magnetfält, så fluktuationer i omgivningen har mycket liten effekt på energiskillnaden mellan dem. Spinn‑echo‑mätningar — där en serie pulser avslöjar hur länge spinnen förblir i fas med varandra — visade att det kollektiva spinn­tillståndet kunde behålla kohärenser i ungefär 0,15 sekunder vid noll magnetfält, ett rekordvärde för denna typ av system under dessa förhållanden.

Ljus som minns nästan till sitt naturliga gränsvärde

Teamet studerade också hur länge de optiska övergångarna själva förblir väl definierade. Med en teknik som kallas fotoneko skickade de in två ljuspulser och observerade hur kristallen emitterade en svag ekosignal som visar hur snabbt den optiska fasinformationen förloras. De fann att när spinnpopulationen noggrant förberetts så att störande spinn‑utbytesprocesser undertrycks, når den optiska kohärenstiden cirka 0,75 millisekunder — nästan exakt vad som förväntas från den exciterade tillståndets naturliga livstid. Med andra ord är huvudbegränsningen inte längre miljöbrus utan den grundläggande regeln att en exciterad jon så småningom måste avge en foton och relaxera. Detta är en av de bästa optiska kohärensprestanda som någonsin rapporterats för en paramagnetisk emitter i fast tillstånd.

Mot praktiska kvantenheter

Dessa resultat visar att ¹⁷¹Yb³⁺ i CaWO4 kombinerar flera mycket önskvärda egenskaper: skarpt upplösta optiska linjer som möjliggör selektiv kontroll, spinn­tillstånd som kan initialiseras och manipuleras endast med ljus, och exceptionellt långa livslängder för både spinn- och optisk kohären även utan att applicera ett starkt magnetfält. Författarna argumenterar för att genom att minska koncentrationen av ytterbiumjoner eller vidare ingenjörstekniskt förfina materialet kan dessa livstider förlängas ytterligare. På grund av denna unika kombination av egenskaper är materialet en stark kandidat för framtida kvantteknologier, inklusive ljusbaserade kvantminnen, enheter som konverterar signaler mellan mikrovågor och ljus, samt enkla‑jon‑gränssnitt som kopplar stationära kvantbitar till fotoner i optiska nätverk.

Citering: 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

Nyckelord: kvantminne, spinn i fasta tillstånd, sällsynta jordartsjoner, optisk kohären, kvantnätverk