Als je zou proberen het periodiek systeem op te zeggen, je zou kunnen struikelen voordat je bij de zeldzame aardelementen bent aangekomen.

Bestaande uit yttrium (element 39) en alles van lanthaan (element 57) tot lutetium (element 71), de zeldzame aarden zijn voor de meesten van ons onbekend. Maar ze zijn van vitaal belang voor technologieën die we elke dag gebruiken, van tl-lampen tot internet.

Onlangs, we hebben aangetoond dat één zeldzaam aardelement, erbium (element 68), een cruciale rol kunnen spelen in het toekomstige quantuminternet.

Wat zijn zeldzame aarden, hoe dan ook?

Zelfs de naam "zeldzame aardmetalen" is misleidend. In feite, zeldzame aardelementen zijn niet bijzonder zeldzaam. Cerium, bijvoorbeeld, komt even vaak voor als koper.

De naam "zeldzame aardmetalen" is ontstaan ​​omdat ze verspreid zijn in ertsen en moeilijk te winnen zijn, zodat alleen kleine hoeveelheden konden worden geïsoleerd. Vandaag, Hoewel, we extraheren meer dan 100, 000 ton zeldzame aardelementen per jaar.

De toepassingen van de zeldzame aardelementen zijn breed. Metaallegeringen - dat wil zeggen, mengsels - die zeldzame aardionen bevatten, zoals neodymium, zijn de sterkste magneten. Ze worden overal in gebruikt, van luidsprekers tot elektromotoren. De katalysatoren die de schadelijke uitstoot in uitlaatgassen van auto's verminderen, gebruiken cerium, en oplaadbare nikkel-metaalhydridebatterijen gebruiken lanthaan.

Kristallen die zeldzame aardionen bevatten, absorberen en zenden licht uit op verschillende bruikbare golflengten in het ultraviolet, zichtbare en infrarode bereiken van het spectrum.

Dit betekent dat zeldzame aardelementen veel voorkomen in verlichting. Kristalpoeders - bekend als fosforen - die europium bevatten, terbium, en cerium worden gebruikt om de rode, groente, en blauwe pixels die samen een full-colour plasmatelevisiescherm vormen. Ze worden ook met elkaar gemengd om het witte licht van compacte fluorescentielampen te creëren.

Erbium en internet

erbium, In de tussentijd, speelt een cruciale rol in het glasvezelnetwerk van het internet.

Het meeste wereldwijde internetverkeer reist als licht in optische vezels. Dit zorgt voor een snelle transmissie met zeer weinig verlies op de juiste golflengte (ongeveer 1, 500-1, 600 nanometer; een nanometer is een miljardste van een meter).

Toch, over lange afstanden is dit verlies - licht dat uit de vezel lekt - een groot probleem, en het licht moet periodiek worden versterkt.

Aangezien erbium licht absorbeert en uitstraalt bij 1, 550 nanometer, precies in het midden van de glasvezeltelecomband, het kan worden gebruikt om het licht te versterken in een apparaat dat een Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA) wordt genoemd.

De onderzeese optische vezels die de ruggengraat van het internet vormen, hebben ongeveer elke 80 km EDFA's.

Het kwantum internet

Internet stelt hedendaagse computers in staat om met elkaar te praten, maar onderzoekers ontwikkelen nu kwantumcomputers. Ook hier zou Erbium een ​​belangrijke rol kunnen spelen.

Kwantumcomputers maken gebruik van een van de vreemdere aspecten van de kwantumfysica - kwantumsuperpositie, waar deeltjes tegelijkertijd in twee verschillende toestanden kunnen bestaan ​​- om informatie te coderen. Om deze computers met elkaar te laten praten, we hebben een nieuw type netwerk nodig dat deze kwantuminformatie kan behouden. Met andere woorden, een kwantuminternet.

Om het kwantuminternet te maken, moeten we de kwantumanalogen van elk element in het klassieke internet bouwen. De kwantumanaloog van de EDFA's die worden gebruikt als versterkers in onze huidige onderzeese optische vezels, wordt een kwantumrepeater genoemd. Beurtelings, dit zou kwantumgeheugen vereisen, die wordt gebruikt om informatieverkeer in het netwerk op te slaan en te synchroniseren.

Onderzoekers over de hele wereld werken al meer dan tien jaar aan kwantumherinneringen, maar kwantuminformatie opslaan voor zelfs 1/1, 000 van een seconde is een uitdaging. Voor het quantuminternet hebben we opslagtijden nodig van minimaal 1/10 seconde.

Het was ook heel moeilijk om herinneringen te maken die werken voor licht in de glasvezeltelecomband, de golflengte die nodig is voor optische vezels.

De beste aanpak tot nu toe was om het geheugen op een andere golflengte te bouwen, en om te proberen het te verbinden met de optische vezelband door, bijvoorbeeld, het omzetten van de golflengte van het licht aan de input en output van het geheugen - een uitdaging op zich.

Zal erbium helpen?

Omdat erbium interageert met licht op precies de juiste golflengte, het lijkt een voor de hand liggende keuze voor een kwantumgeheugen. Echter, erbium is slecht in het opslaan van kwantuminformatie.

Het probleem is dat erbium gevoelig is voor de kleine magnetische veldfluctuaties die optreden in kristallen, en dit degradeert snel alle kwantuminformatie die het bevat.

Onlangs, we ontdekten dat het toepassen van een groot magnetisch veld de kwantumopslagtijd van bepaalde erbiumkristallen aanzienlijk kan verbeteren. Dit veld, die vergelijkbaar is met die in een MRI-machine in een ziekenhuis, dempt de magnetische veldfluctuaties. De bewaartijd van erbium kan dan met een factor 10 verbeteren, 000 tot meer dan 1 seconde.

Dit is het eerste systeem dat compatibel is met de optische vezels die nodig zijn voor een wereldwijd kwantuminternet dat een opslagtijd heeft die lang genoeg is voor dit netwerk. De volgende stappen zijn het bouwen van kwantumrepeaters met dit systeem, en installeer ze op een testnetwerk om hun prestaties te meten.

In de toekomst, erbium-materialen kunnen net zo integraal zijn voor het kwantuminternet als ze al zijn voor ons huidige internet.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.