Quantumcommunicatie en cryptografie zijn de toekomst van hoogbeveiligde communicatie. Maar voordat er een wereldwijd kwantumnetwerk kan worden opgezet, liggen er nog veel uitdagingen. inclusief het verspreiden van het kwantumsignaal over lange afstanden. Een van de grootste uitdagingen is het creëren van herinneringen met de capaciteit om kwantuminformatie op te slaan die door licht wordt gedragen. Onderzoekers van de Universiteit van Genève (UNIGE), Zwitserland, in samenwerking met CNRS, Frankrijk, een nieuw materiaal hebben ontdekt waarin een element, ytterbium, kan de kwetsbare kwantuminformatie opslaan en beschermen, zelfs bij hoge frequenties. Dit maakt ytterbium een ​​ideale kandidaat voor toekomstige kwantumnetwerken, waarbij het doel is om het signaal over lange afstanden te verspreiden door op te treden als repeaters. Deze resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Quantumcryptografie maakt tegenwoordig gebruik van glasvezel over honderden kilometers en wordt gekenmerkt door een hoge mate van beveiliging:het is onmogelijk om informatie te kopiëren of te onderscheppen zonder deze te laten verdwijnen.

Echter, het feit dat het onmogelijk is om het signaal te kopiëren, verhindert ook dat wetenschappers het versterken om het over lange afstanden te verspreiden, zoals het geval is met het wifi-netwerk.

Het juiste materiaal vinden om kwantumherinneringen te produceren

Aangezien het signaal niet kan worden gekopieerd of versterkt zonder dat het verdwijnt, wetenschappers werken momenteel aan het maken van kwantumherinneringen die het kunnen herhalen door de fotonen te vangen en te synchroniseren zodat ze steeds verder kunnen worden verspreid. Het enige dat overblijft is het vinden van het juiste materiaal om deze kwantumherinneringen te maken. "De moeilijkheid is om een ​​materiaal te vinden dat in staat is om de kwantuminformatie die door de fotonen wordt overgebracht te isoleren van omgevingsverstoringen, zodat we ze een seconde of zo kunnen vasthouden en synchroniseren, " legt Mikael Afzelius uit, een onderzoeker bij de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE. "Maar een foton reist ongeveer 300, 000 km in één seconde!" Dit betekende dat de natuurkundigen en scheikundigen een materiaal moesten opgraven dat zeer goed geïsoleerd is van storingen maar toch in staat is om op hoge frequenties te werken, zodat het foton snel kan worden opgeslagen en hersteld - twee kenmerken die vaak als onverenigbaar beschouwd.

Een "omslagpunt" voor de "heilige graal" van zeldzame aardmetalen

Hoewel er al in het laboratorium geteste prototypen van kwantumgeheugens bestaan, inclusief die op basis van zeldzame aardmetalen zoals europium of praseodymium, hun snelheid is nog niet hoog genoeg. "Dus, we richtten onze interesse op een zeldzame aarde uit het periodiek systeem dat tot nu toe weinig aandacht had gekregen:ytterbium, " legt Nicolas Gisin uit, hoogleraar bij de vakgroep Toegepaste Natuurkunde aan de Faculteit Wetenschappen van UNIGE en oprichter van ID Quantique. "Ons doel was om het ideale materiaal te vinden voor het maken van kwantumrepeaters, waarbij atomen worden geïsoleerd van hun omgeving, die de neiging heeft om het signaal te verstoren, ", voegt professor Gisin toe. En dit lijkt het geval te zijn met ytterbium!

De natuurkundigen van UNIGE en CNRS ontdekten dat, door deze zeldzame aarde te onderwerpen aan zeer nauwkeurige magnetische velden, het zeldzame aardatoom komt in een staat van ongevoeligheid die het afsnijdt van de verstoringen in zijn omgeving, waardoor het mogelijk wordt het foton op te vangen zodat het kan worden gesynchroniseerd. "We hebben een 'magisch punt' gevonden door de amplitude en richting van het magnetische veld te variëren, "zeg Alexey Tiranov, een onderzoeker bij de afdeling Technische Natuurkunde van UNIGE, en Philippe Goldner, een onderzoeker aan het onderzoeksinstituut Chimie Paris. "Als dit punt is bereikt, de coherentietijden van de ytterbiumatomen worden verhoogd met een factor 1, 000, tijdens het werken op hoge frequenties!"

De voordelen van ytterbium

De natuurkundigen zijn nu bezig met het bouwen van op ytterbium gebaseerde kwantumgeheugens die kunnen worden gebruikt om snel overgangen van de ene repeater naar de andere te maken en het foton zo lang mogelijk vast te houden om de nodige synchronisatie mogelijk te maken. "Dit materiaal opent een nieuw veld van mogelijkheden voor het creëren van een wereldwijd kwantumnetwerk; het onderstreept ook het belang van fundamenteel onderzoek naast meer toegepast onderzoek, zoals het bedenken van een kwantumgeheugen, ’ besluit Afzelius.