171Yb3+:CaWO4 中亚秒级自旋与受寿命限制的光学相干性

为何长寿命量子态重要

量子计算机和超安全通信网络有望改变信息处理与共享方式，但它们依赖的脆弱量子态通常在不到一秒的时间内消失。该研究探索了一种新的固体晶体材料，能够承载寿命异常长且可用光控制的量子态。通过将这些态维持得远比通常更稳定，这项工作朝着实用的量子存储、接口和传感器迈出了重要一步。

脆弱量子比特的新归宿

研究者把注意力集中在一种称为钨酸钙（CaWO4）的晶体上，该晶体中掺入了少量特定类型的镱离子，即¹⁷¹Yb³⁺。每个这样的离子表现得像一个微小的量子磁体，既有电子自旋也有核自旋对其磁性作出贡献。由于晶体中几乎没有其他磁性原子，单个镱离子周围的环境异常安静。这样低背景噪声至关重要：它使离子的量子态能够长时间存活，而不是被固体中随机的磁性扰动迅速扰乱。

用光与磁场探测隐含结构

为了理解并控制这些量子态，团队首先需要详细绘制出离子的能级排列。他们将晶体冷却到接近绝对零度几度的温度，并在施加精确控制的磁场同时，用高度稳定的激光光束照射晶体。通过测量晶体在略有不同颜色和偏振下的吸收情况，他们能够确定电子自旋和核自旋在离子的低能（基态）和高能（激发态）之间如何相互作用。观察到的吸收峰非常窄，说明离子在晶体中看到的环境几乎一致，这是对大量离子进行精确光学控制的关键要求。

创建长寿命自旋记忆

有了这个能级图后，研究者用成对的激光束以纯光学方式操纵离子的自旋态，而无需依赖微波。他们设计了一系列光脉冲，先将几乎所有离子推入单一精心选择的自旋态，然后将它们翻转到一对被称为“钟”跃迁的特殊态。在这种构型下，这两个态对外加磁场的响应几乎相同，因此环境波动对它们之间能隙的影响非常小。自旋回波测量（通过一系列脉冲揭示自旋保持相干的时长）表明，在零磁场下，集体自旋态的相干时间约为0.15秒——在该条件下这一类系统的记录性数值。

接近自然极限的光学记忆

团队还研究了光学跃迁本身能保持良好定义的时长。使用称为光子回波的技术，他们发送两次光脉冲并观察晶体发出的一次微弱回波信号，从中可以看出光学相位信息丢失的速度。他们发现，当自旋种群被精心制备以抑制扰乱性的自旋交换过程时，光学相干时间可达到约0.75毫秒——几乎正对应于激发态的自然寿命。换句话说，主要限制不再是环境噪声，而是激发离子最终发射光子并弛豫这一本质规则。这是迄今为止在参数性固态发射体中报告到的最佳光学相干性能之一。

走向实用的量子器件

这些结果表明，CaWO4 中的¹⁷¹Yb³⁺结合了多项极为理想的特性：清晰分辨的光谱线允许选择性控制、自旋态可以仅用光初始化与操纵，以及自旋和光学相干均具有异常长的寿命，且即便在不施加强磁场的情况下亦是如此。作者认为，通过降低镱离子浓度或进一步工程化材料，这些寿命还可进一步延长。正因这种独特特性的组合，该材料成为未来量子技术的有力候选者，包括基于光的量子存储、微波与光之间信号转换的器件，以及将固定量子比特与在光网络中传播的光子连接起来的单离子接口。

引用: 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

关键词: 量子存储, 固态自旋, 稀土离子, 光学相干性, 量子网络