Nguyên tố Ytterbium: Sẽ trở thành bộ nhớ lượng tử của tương lai

Zcomity (30/7/2018): Truyền thông lượng tử và tương lai truyền thông mã hóa bảo mật cao. Nhiều thử thách vẫn nằm phía trước trước khi một mạng lượng tử trên toàn thế giới có thể được thiết lập, bao gồm việc truyền tín hiệu lượng tử trên một khoảng cách dài. Một trong những thách thức chính là tạo ra những bộ nhớ với khả năng lưu trữ thông tin lượng tử được mang đi bởi ánh sáng. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Geneva (UNIGE), Thụy Sĩ, hợp tác với CNRS, Pháp, đã phát hiện ra một vật liệu mới trong đó một nguyên tố ytterbium có thể lưu trữ và bảo vệ thông tin lượng tử mong manh ngay cả khi hoạt động ở tần số cao. Điều này làm cho nguyên tố ytterbium trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho các mạng lượng tử trong tương lai, nơi mà mục tiêu là truyền tín hiệu trên một khoảng cách dài bằng cách hoạt động như những bộ lặp. kết quả này được công bố trên tạp chí Nature Materials.

Mật mã lượng tử ngày nay sử dụng sợi Cáp quang dài trên vài trăm Km và được đánh dấu bằng mức độ bảo mật cao: nó không thể bị sao chép hoặc bị ngăn chặn vì điều này sẽ làm dữ liệu truyền thông này biến mất.

Tuy nhiên, thực tế là không thể sao chép tín hiệu cũng ngăn cản các nhà khoa học khuếch đại nó để khuếch tán dữ liệu trên một khoảng cách dài, như trường hợp với mạng Wi-Fi.

Tìm kiếm vật liệu phù hợp để tạo ra những bộ nhớ lượng tử.

Do tín hiệu không thể bị sao chép hoặc khuếch đại mà không làm nó biến mất, các nhà khoa học hiện đang nghiên cứu cách tạo ra những bộ nhớ lượng tử có khả năng tái lập nó bằng cách chụp các photon và đồng bộ hóa chúng để chúng có thể khuếch tán xa hơn nữa.

Tất cả những gì còn lại là tìm ra vật liệu phù hợp để tạo ra những bộ nhớ lượng tử này. Mikael Afzelius, nhà nghiên cứu thuộc Khoa vật lý ứng dụng giải thích: “Khó khăn là tìm ra một vật liệu có khả năng cô lập thông tin lượng tử được truyền qua photon từ các rối loạn môi trường để chúng ta có thể giữ chúng trong một giây hoặc đồng bộ hóa chúng”.

"Mikael Afzelius, một nhà nghiên cứu thuộc Khoa Vật lý Ứng dụng của UNIGE's Faculty of Sciences lý giải điều này, "Nhưng một photon truyền đi khoảng 300.000 km trong một giây!" Điều này có nghĩa là các nhà vật lý và các nhà hóa học phải khai quật một vật liệu được tách biệt tốt khỏi các nhiễu loạn nhưng vẫn có khả năng hoạt động ở tần số cao để photon có thể được lưu trữ và phục hồi nhanh chóng - hai đặc điểm thường được xem là không tương thích.

Một "điểm bùng phát" cho "chén thánh" đất hiếm

Mặc dù nhiều nguyên mẫu bộ nhớ lượng tử được kiểm tra trong phòng thí nghiệm đã tồn tại, bao gồm các nguyên mẫu dựa trên các loại đất hiếm như europium hoặc praseodymium, tốc độ của chúng chưa đủ cao. Nicolas Gisin, giáo sư khoa Vật lý ứng dụng của Khoa Khoa học và người sáng lập ID Quantique giải thích: “Vì vậy, chúng tôi đã quan tâm đến một loại đất hiếm ít được chú ý từ bảng tuần hoàn: ytterbium”. "Mục tiêu của chúng tôi là tìm ra vật liệu lý tưởng để tạo ra các bộ lặp lượng tử, liên quan đến việc cô lập các nguyên tử từ môi trường của chúng, có xu hướng làm nhiễu tín hiệu", giáo sư Gisin cho biết thêm. Và điều này có vẻ là trường hợp với ytterbium!.

Các nhà vật lý UNIGE và CNRS đã phát hiện ra rằng, bằng cách sử dụng đất hiếm này chúng có từ trường rất chính xác, nguyên tử đất hiếm rơi vào trạng thái vô cảm cắt nó khỏi những nhiễu loạn trong môi trường của nó, làm cho nó có thể bẫy photon và đã đồng bộ hóa.

Nhà nghiên cứu Alexey Tiranov, thuộc Khoa vật lý ứng dụng tại UNIGE, và Philippe Goldner, một nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Chimie Paris cho biết: “Chúng tôi đã tìm thấy 'điểm ma thuật' bằng cách thay đổi biên độ và hướng của từ trường. "Khi đạt đến điểm này, thời gian kết hợp của các nguyên tử ytterbium được tăng lên với hệ số là 1.000, khi hoạt động ở tần số cao!".

Những lợi ích của ytterbium

Các nhà vật lí hiện đang trong quá trình xây dựng những bộ nhớ lượng tử dựa trên ytterbium có thể được sử dụng để nhanh chóng chuyển tiếp từ một bộ lặp mã sang một bộ khác trong khi giữ lại photon càng lâu càng tốt nhằm cho phép sự đồng bộ hóa cần thiết. "Vật liệu này mở ra một lĩnh vực mới về khả năng tạo ra mạng lượng tử toàn cầu, nó cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc theo đuổi nghiên cứu cơ bản song song với nhiều nghiên cứu ứng dụng hơn, như tạo ra một bộ nhớ lượng tử", Afzelius kết luận.