Iterbio: revolucionando las redes cuánticas de larga distancia

Los materiales basados en iterbio pueden amplificar señales cuánticas para difundirlas a largas distancias. El material puede preservar fotones (que transportan datos cuánticos) de perturbaciones externas para que puedan sincronizarse.

El desafío de la memoria cuántica

La criptografía cuántica busca permitir comunicaciones más seguras que la criptografía convencional. Actualmente, usa fibra óptica a lo largo de cientos de kilómetros y permite completar numerosas tareas criptográficas imposibles con sistemas de comunicación tradicionales.

Es imposible copiar una señal codificada en un estado cuántico: si alguien intenta leer los datos codificados, el estado cambia (desaparece). Sin embargo, este mismo hecho impide a los investigadores amplificar la señal para difundirla a distancias mayores. El mayor desafío es construir una memoria que pueda retener datos cuánticos transportados por la luz.

Ahora, investigadores de la Universidad de Ginebra, Suiza, han encontrado un elemento que puede almacenar frágiles datos cuánticos sin distorsionarlos a altas frecuencias.

Buscando el material adecuado para memoria cuántica

Científicos de todo el mundo trabajan para crear memorias cuánticas que repitan señales cuánticas reteniendo y sincronizando fotones, para que puedan propagarse a distancias mayores.

Para construir tales memorias cuánticas, necesitamos un material capaz de preservar fotones (que transportan datos cuánticos) durante unos segundos de perturbaciones externas para que puedan sincronizarse.

Dado que los fotones viajan a 299.792 km/s, los investigadores han tenido que encontrar un material bien aislado de perturbaciones ambientales y que opere eficientemente a altas frecuencias: dos características difíciles de hallar en un solo material.

Ya existen algunos prototipos basados en materiales raros como praseodimio o europio, pero no son muy eficientes. Por ello, los investigadores centraron su interés en un elemento poco estudiado: el iterbio.

Referencia: Nature Materials | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | Universidad de Ginebra

¿Por qué el iterbio es útil?

Descubrieron que el iterbio puede aislar átomos de su entorno, que tienden a distorsionar la señal, convirtiéndolo en candidato perfecto para repetidores cuánticos.

El equipo halló un "punto mágico" al alterar la dirección y amplitud del campo magnético. En este punto preciso, los tiempos de coherencia de los átomos de iterbio aumentan 1.000 veces, funcionando a altas frecuencias.

Cristal de iterbio enfriado a -2,85 °C (270,15 K)

Han demostrado que es posible mejorar simultáneamente los tiempos de coherencia de espín y ópticos, reduciendo gradientes de transición mediante campos magnéticos de sesgo extremadamente bajos, o usando transiciones de reloj inducidas a campo cero. Es aplicable a cualquier sistema de espín electrónico con interacciones hiperfinas y efecto Zeeman anisotrópico.

Los investigadores ahora desarrollan memorias cuánticas basadas en iterbio que permitan transiciones rápidas entre repetidores mientras mantienen el estado del fotón por un segundo o más, para permitir la sincronización.

El material tiene numerosas propiedades únicas, como transiciones óptico-hiperfinas resueltas ópticamente, múltiple hiperfino simple y largos tiempos de coherencia, lo que lo hace candidato perfecto para aplicaciones de datos cuánticos. Además, puede usarse en memorias cuánticas y acoplamiento a qubits superconductores en régimen de microondas.