Mot telekom-kompatibla kvantnoder med erbium-dopat stoikiometriskt EuCl3 ⋅ 6H2O-kristall

Bygga framtidens kvantinternet

Dagens internet förflyttar klassiska informationsbitar — ettor och nollor — runt om i världen med ljusets hastighet. Ett framtida ”kvantinternet” skulle i stället distribuera sköra kvanttillstånd, vilket möjliggör ultrasäker kommunikation och kraftfull distribuerad beräkning. För att göra denna vision verklig behöver forskare särskilda hårdvarunoder som pålitligt kan lagra kvantinformation och kommunicera med befintliga fibernät. Den här artikeln undersöker ett lovande solidt material som kan utgöra kärnan i sådana kvantnoder och föra långlivade kvantminnen närmare vardagliga telekomfibrer.

Två hjälpsamma atomer som samarbetar

Arbetet fokuserar på en kristall som till största delen består av europiumjoner, i vilken ett litet antal erbiumjoner avsiktligt införts. Varje jon beter sig som ett litet kvantsystem med energinivåer som kan lagra information. Europium är utmärkt på att behålla kvanttillstånd länge, men avger inte naturligt ljus vid de våglängder som används i standardfiberoptik. Erbium är motsatsen: det avger och absorberar naturligt ljus runt 1,5 mikrometer, samma band som används i långdistans telekomlänkar, men har ofta kortare kohärenstider. Genom att kombinera dessa två arter i en noggrant kontrollerad kristall vill teamet använda erbium som ett ljusvänligt gränssnitt och europium som ett robust kvantminne, allt i samma fast materia.

Se lokala förändringar inne i kristallen

Tillsats av erbiumatomer förvränger kristallen något i deras omedelbara omgivning, vilket ändrar hur närliggande europiumatomer absorberar ljus. Forskarna använder laserspektroskopi med mycket hög upplösning för att detektera dessa små förändringar som ”satellitlinjer” i absorptionsspektrumet — extra toppar förskjutna med bara några miljarder delar av den optiska frekvensen. Varje satellitlinje motsvarar europiumjoner som sitter i en specifik position i förhållande till en erbiumgranne. Genom att mäta hur dessa linjer rör sig och breddas med temperatur och magnetfält kan teamet kartlägga hur starkt varje europiumgrupp påverkas av sin erbiumpartner och hur det inflytandet utvecklas under olika förhållanden.

Hålla kvanttillstånd tysta och stabila

En central utmaning är decoherens: slumpmässiga fluktuationer i den lokala miljön som rör till sköra kvanttillstånd. Författarna undersöker detta med fotonekokniker, där par eller trios av korta laserpulser återfaser det atomära berget och producerar ett eko vars styrka visar hur snabbt kohären förloras. De finner att vid ultralåga temperaturer runt 60 millikelvin behåller europiumjoner nära erbium fortfarande optiska kohärenstider jämförbara med en ren europiumkristall, vilket innebär att tillsatt erbium inte märkbart försämrar prestandan. När temperaturen ökar över cirka 2 kelvin introducerar rörelser hos erbiums elektronspinn extra brus som påskyndar decoherensen, men på ett sätt som kan modelleras kvantitativt.

Frysa rörelser med magnetfält

Teamet slår sedan på magnetfält och roterar dem runt kristallen, och utnyttjar erbiumspinnens starka och mycket riktade magnetiska respons. Vid vissa fältstyrkor och vinklar blir energidelningen mellan erbiums spinnstater så stor att nästan alla spinn sätter sig i sitt lägsta tillstånd och upphör att flippa. Denna ”frusna kärna” tystar den magnetiska omgivningen runt närliggande europiumjoner. Under optimala förhållanden — ungefär 0,1 tesla i en bestämd orientering — ökar europiums optiska kohärenstid från ungefär 60 mikrosekunder till omkring 160 mikrosekunder, mycket nära gränsen som sätts av den exciterade tillståndets naturliga livstid. Ännu mer anmärkningsvärt är att livstiden för europiums hyperfina tillstånd, som kan fungera som mycket långtidsminnen, sträcker sig till mer än en timme, vilket antyder potentiell kohärens i storleksordningen två timmar.

Balansera prestanda för verkliga kvantnoder

Dessa resultat visar att erbiumdopat europium kan fungera som hybridkvantnoder som både är kompatibla med telekomfibrer och kapabla att lagra kvantinformation mycket länge. De uppmätta växelverkan mellan erbium och närliggande europiumjoner — i storleksordningen tiotals till hundratals kilohertz — är tillräckligt starka för att föreställa sig kontrollerade kvantoperationer som överför kvanttillstånd mellan ett telekomfotongränssnitt och ett tätt europiumminne. Författarna framhäver också praktiska kompromisser: att öka mängden erbium förbättrar kristallens koppling till ljus men riskerar att tillföra mer brus och kristallpåfrestning som förkortar kohärenstider. Genom att noggrant ställa in dopkoncentration, temperatur och magnetfält kan ingenjörer kanske bygga solid-state-enheter som fångar kvantsignaler som anländer via vanliga optiska fibrer, lagrar dem djupt inne i en kristall i sekunder eller längre och sedan troget återger dem på begäran — nyckelfunktioner för ett framtida globalt kvantnätverk.

Citering: 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

Nyckelord: kvantminne, telekomfoton, sällsynta jordartsjoner, kvantupprepare, solid-state qubits