Itérbio:revolucionando redes quânticas de longa distância

• Materiais à base de itérbio podem amplificar sinais quânticos para difundi-los por longas distâncias.
• O material pode preservar os fótons (que transportam dados quânticos) de perturbações externas para que possam ser sincronizados.

A criptografia quântica é uma tentativa de permitir que os usuários se comuniquem através de técnicas mais seguras do que aquelas garantidas pela criptografia convencional. Atualmente, utiliza fibra óptica ao longo de centenas de quilômetros e permite a realização de inúmeras tarefas criptográficas que são comprovadamente impossíveis com o sistema de comunicação tradicional.

É impossível copiar o sinal codificado em estado quântico:se alguém tentar ler os dados codificados, ele muda de estado (desaparece). Porém, o mesmo fato também impede que os pesquisadores amplifiquem o sinal para difundi-lo por distâncias maiores. O maior desafio é construir uma memória que possa armazenar dados quânticos transportados pela luz.

Agora, pesquisadores da Universidade de Genebra, na Suíça, encontraram um elemento que pode armazenar os frágeis dados quânticos sem distorcê-los em altas frequências.

Pesquisando o material certo para memória quântica

Cientistas de todo o mundo estão trabalhando para criar memórias quânticas que possam repetir sinais quânticos, retendo e sincronizando fótons, para que possam se propagar por distâncias mais longas.

Para construir tais memórias quânticas, precisamos encontrar um material apropriado capaz de preservar os fótons (que transportam dados quânticos) de perturbações externas por alguns segundos, para que possam ser sincronizados.

Como os fótons viajam 300.000 quilômetros por segundo, os pesquisadores tiveram que encontrar um material que estivesse bem isolado das perturbações ambientais e pudesse operar com eficiência em altas frequências – duas características difíceis de encontrar em um único material.

Já temos alguns protótipos baseados em materiais raros como praseodímio ou európio, mas eles não são muito eficientes. Por isso, os pesquisadores voltaram seu interesse para o elemento que ainda não havia sido intensamente estudado:o itérbio.

Referência:Materiais da Natureza | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | Universidade de Genebra

Como o itérbio é útil?

Eles descobriram que o itérbio pode isolar átomos de seu entorno que tendem a distorcer o sinal, tornando-o um candidato perfeito para repetidores quânticos.

A equipe descobriu um “ponto mágico” ao alterar a direção e a amplitude do campo magnético. Neste preciso ponto, os tempos de coerência dos átomos de itérbio aumentam 1.000 vezes, enquanto funcionam em altas frequências.

Cristal de itérbio resfriado a 270,15 graus Celsius

Eles mostraram que é possível melhorar simultaneamente os tempos de spin e de coerência óptica, reduzindo os gradientes de transição através de campos de polarização magnética extremamente baixos, ou usando transições de relógio induzidas em campo zero. É aplicável a qualquer sistema de spin eletrônico com interações hiperfinas e Zeeman anisotrópico.

Os pesquisadores estão agora desenvolvendo memórias quânticas baseadas em itérbio que podem ajudar em transições rápidas de um repetidor para outro, mantendo o estado do fóton por cerca de um segundo, para permitir a sincronização.

Leia:A primeira simulação do núcleo atômico em um computador quântico

O material tem inúmeras propriedades exclusivas, como transições óptico-hiperfinas resolvidas opticamente, variedade hiperfina simples e longos tempos de coerência, tornando-o um candidato perfeito para aplicações de dados quânticos. Além disso, pode ser usado para aplicações em memórias quânticas e acoplamento a qubits supercondutores em regime de micro-ondas.