Iterbio:revolucionando las redes cuánticas de larga distancia

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

La criptografía cuántica es un intento de permitir a los usuarios comunicarse mediante técnicas más seguras que las garantizadas por la criptografía convencional. En la actualidad, utiliza fibra óptica a lo largo de cientos de millas y permite completar numerosas tareas criptográficas que han demostrado ser imposibles con el sistema de comunicación tradicional.

Es imposible copiar la señal codificada en un estado cuántico:si alguien intenta leer los datos codificados, cambia el estado (desaparece). Sin embargo, el mismo hecho también impide a los investigadores amplificar la señal para difundirla a distancias más largas. El mayor desafío es construir una memoria que pueda contener 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 en altas frecuencias.

Buscando el material adecuado para la memoria cuántica

Científicos de todo el mundo están trabajando para crear memorias cuánticas que puedan repetir señales cuánticas reteniendo y sincronizando fotones, para que puedan propagarse a distancias más largas.

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

Dado que los fotones viajan 300.000 kilómetros por segundo, los investigadores han tenido que encontrar un material que esté bien aislado de las perturbaciones ambientales y que pueda operar eficientemente a altas frecuencias, dos características que son difíciles de encontrar en un solo material.

Ya tenemos algunos prototipos basados en materiales raros como el praseodimio o el europio, pero no son muy eficientes. Por ello, los investigadores centraron su interés en el elemento que no había sido estudiado intensamente:el iterbio.

Referencia:Materiales Naturales | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | Universidad de Ginebra

¿Qué utilidad tiene el iterbio?

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

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

Cristal de iterbio enfriado a 270,15 grados Celsius

Han demostrado que es posible mejorar simultáneamente los tiempos de espín y de coherencia óptica, reduciendo los gradientes de transición a través de campos de polarización magnética extremadamente bajos o utilizando transiciones de reloj inducidas en campo cero. Es aplicable a cualquier sistema de espín electrónico que tenga interacciones hiperfinas y Zeeman anisotrópico.

Los investigadores ahora están desarrollando memorias cuánticas basadas en iterbio que pueden ayudar a realizar transiciones rápidas de un repetidor a otro mientras mantienen el estado del fotón durante aproximadamente un segundo, para permitir la sincronización.

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El material tiene numerosas propiedades únicas, como transiciones óptico-hiperfinas resueltas ópticamente, una variedad hiperfina simple y tiempos de coherencia prolongados, lo que lo convierte en un candidato perfecto para aplicaciones de datos cuánticos. Además, se puede utilizar para aplicaciones en memorias cuánticas y acoplamiento a qubits superconductores en régimen de microondas.