이테르븀(Ytterbium):장거리 양자 네트워크 혁신

• 이테르븀 기반 소재는 양자 신호를 증폭하여 장거리로 확산시킬 수 있습니다.
• 이 물질은 동기화가 가능하도록 외부 방해로부터 광자(양자 데이터를 운반하는)를 보존할 수 있습니다.

양자 암호화는 기존 암호화가 보장하는 것보다 더 안전한 기술을 통해 사용자가 통신할 수 있도록 하려는 시도입니다. 현재는 수백 마일에 걸쳐 광섬유를 사용하며 기존 통신 시스템으로는 불가능하다고 입증된 수많은 암호화 작업을 완료할 수 있습니다.

양자 상태로 인코딩된 신호를 복사하는 것은 불가능합니다. 누군가 인코딩된 데이터를 읽으려고 하면 상태가 변경됩니다(사라집니다). 그러나 동일한 사실로 인해 연구자들은 신호를 증폭하여 더 먼 거리로 확산시키는 것을 방해합니다. 가장 큰 과제는 빛에 의해 전달되는 양자 데이터를 담을 수 있는 메모리를 구축하는 것입니다.

이제 스위스 제네바 대학의 연구원들이 취약한 양자 데이터를 고주파수에서 왜곡하지 않고 저장할 수 있는 요소를 발견했습니다.

양자 기억에 적합한 소재 검색

전 세계의 과학자들은 광자를 보유하고 동기화하여 양자 신호를 반복하여 더 먼 거리로 전파할 수 있는 양자 메모리를 만들기 위해 노력하고 있습니다.

이러한 양자 메모리를 구축하려면 외부 방해로부터 몇 초 동안 광자를 보존하여 동기화할 수 있는 적절한 물질을 찾아야 합니다.

광자는 1초에 186,282마일을 이동하기 때문에 연구자들은 환경 교란으로부터 잘 격리되고 고주파수에서 효율적으로 작동할 수 있는 재료를 찾아야 했습니다. 이는 단일 재료에서 찾기 어려운 두 가지 기능입니다.

우리는 이미 프라세오디뮴이나 유로피움과 같은 희귀 물질을 기반으로 한 몇 가지 프로토타입을 보유하고 있지만 그다지 효율적이지 않습니다. 따라서 연구자들은 그동안 집중적으로 연구되지 않았던 원소인 이테르븀(ytterbium)으로 관심을 돌렸습니다.

참고자료:자연 소재 | doi:10.1038/s41563-018-0138-x | 제네바 대학교

이테르븀은 어떻게 유용합니까?

그들은 이테르븀이 신호를 왜곡하는 경향이 있는 주변 원자를 분리하여 양자 중계기의 완벽한 후보가 될 수 있다는 것을 발견했습니다.

연구팀은 자기장의 방향과 진폭을 변경해 '마법의 지점'을 발견했다. 이 정확한 지점에서 이테르븀 원자의 결맞음 시간은 고주파수에서 작동하면서 1,000배 증가합니다.

섭씨 270.15도까지 냉각된 이테르븀 결정

그들은 극도로 낮은 자기 바이어스 장을 통해 전이 기울기를 줄이거나 제로 필드에서 유도된 클록 전이를 사용함으로써 스핀 및 광학 일관성 시간을 동시에 향상시키는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 이는 초미세 상호작용과 이방성 Zeeman을 갖는 모든 전자 스핀 시스템에 적용 가능합니다.

연구원들은 이제 동기화를 가능하게 하기 위해 약 1초 동안 광자 상태를 유지하면서 하나의 중계기에서 다른 중계기로의 신속한 전환을 도울 수 있는 이테르븀 기반의 양자 메모리를 개발하고 있습니다.

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이 물질은 광학적으로 분해된 광학-초미세 전이, 단순한 초미세 다양체, 긴 일관성 시간과 같은 수많은 고유한 특성을 갖고 있어 양자 데이터 응용 분야에 완벽한 후보입니다. 또한 양자 메모리 응용 분야와 마이크로파 영역의 초전도 큐비트 결합에도 사용할 수 있습니다.