使用掺铒化化学计量EuCl3 · 6H2O晶体推进兼容电信的量子节点

构建未来的量子互联网

当今的互联网以光速在全球传输经典比特信息——零和一。未来的“量子互联网”则将分发脆弱的量子态，实现超安全通信和强大的分布式计算。要把这一愿景变为现实，研究人员需要能够可靠储存量子信息并与现有光纤网络对接的专用硬件节点。本文探讨了一种有前景的固态材料，可能成为此类量子节点的核心，将寿命长的量子存储与日常电信光纤更紧密地结合在一起。

两种互补原子协同工作

研究聚焦于一种主要由铕离子构成的晶体，在其中刻意掺入少量的铒离子。每个离子都像一个微小的量子系统，具有可用于储存信息的能级。铕在保持量子态方面表现出色，但它天然不会在标准光纤使用的波长发射光。铒则相反：它天然在约1.5微米处发射和吸收光，这正是长距离电信链路使用的波段，但铒通常具有更短的相干时间。通过在受控的晶体中结合这两种元素，团队希望将铒作为与光友好的接口，将铕作为稳健的量子存储器，二者共存于同一固体中。

观察晶体内部的局部变化

加入铒原子会在它们周围微微扭曲晶格，改变附近铕原子吸收光的方式。研究人员使用高分辨率激光光谱学检测这些微小变化，将其表征为吸收谱中的“卫星线”——仅偏移几十亿分之一光学频率的额外峰。每条卫星线对应处于与某个铒邻位特定相对位置的铕离子。通过测量这些谱线随温度和磁场的移动与展宽，团队可以绘制出每组铕受其铒邻位影响的强弱，以及这种影响在不同条件下如何演化。

让量子态保持安静与稳定

一个核心挑战是退相干：局部环境的随机波动会扰乱脆弱的量子态。作者通过光子回声技术来探测这一点，在该技术中成对或三重的短激光脉冲使原子群重新相位，产生的回声强度揭示相干性丧失的速度。他们发现，在约60毫开尔文的超低温下，靠近铒的铕仍能维持与纯铕晶体相当的光学相干时间，这意味着掺入的铒并未显著破坏性能。当温度升高到约2开尔文以上时，铒电子自旋的运动会引入额外噪声，加速退相干，但这种影响可以被定量建模。

用磁场冻结运动

团队随后施加磁场并围绕晶体旋转磁场，利用铒自旋强烈且高度各向异性的磁响应。在某些场强和角度下，铒自旋态的能级分裂变得足够大，使几乎所有自旋都沉降到最低能态并停止翻转。这个“冻结核”使附近铕离子的磁环境变得安静。在最佳条件下——约0.1特斯拉且处于特定方向——铕的光学相干时间从大约60微秒延长到约160微秒，非常接近由激发态自然寿命决定的极限。更为显著的是，铕的超精细态寿命，可以作为非常长期的量子记忆，延长到超过一小时，暗示潜在相干时间可达到约两小时的量级。

为真实量子节点权衡性能

这些结果表明，掺铒的铕晶体可以作为混合量子节点，既对电信光纤友好，又能将量子信息保存极长时间。测得的铒与附近铕离子之间的相互作用在几十到几百千赫的量级——足以设想用受控的量子操作在电信光子接口与致密的铕存储之间传输量子态。作者还指出了实际的折衷：增加铒的含量能增强晶体与光的耦合，但有可能引入更多噪声和晶体应变从而缩短相干时间。通过精细调整掺杂浓度、温度和磁场，工程师或可构建固态器件，接收通过普通光纤到达的量子信号，将其深藏于晶体中数秒或更长时间，然后按需可靠地释放——这是未来全球量子网络的关键能力。

引用: 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

关键词: 量子存储器, 电信光子, 稀土离子, 量子中继器, 固态量子比特