日內瓦大學——來自UNIGE的研究人員與法國CNRS (CNRS)密切合作，發現了一種可以用來快速存儲和重復量子信號的新材料——這可能是全球量子網絡的開端嗎。

量子通信和密碼學是高安全性通信的未來。但是，在建立一個全球性的量子網絡之前，還有許多挑戰，包括將量子信號長距離傳播。其中一個主要的挑戰是創造存儲光所攜帶的量子信息的記憶。瑞士日內瓦大學(UNIGE)的研究人員與法國CNRS合作，發現了一種新的材料，在這種材料中，一種元素鐿可以存儲和保護脆弱的量子信息，即使在高頻下也可以。這使得鐿成為未來量子網絡的理想候選者，量子網絡的目標是通過充當中繼器來實現信號的長距離傳輸。這些結果發表在《自然材料》雜志上。

如今，量子密碼學使用的光纖長達數百公里，其特點是高度安全：不讓信息消失，就不可能復制或攔截信息。

然而，無法復制信號這一事實也阻止了科學家們將其放大以進行遠距離傳播，就像Wi-Fi網絡的情況一樣。

找到產生量子記憶的合適材料

由于信號不可能在不消失的情況下被復制或放大，科學家們目前正在研究如何通過捕獲光子并使它們同步，從而使量子記憶能夠重復它，從而使它們能夠擴散得越來越遠。剩下的就是找到制造這些量子記憶的合適材料。“難題在于如何找到一種材料能孤立量子信息轉達了環境干擾的光子，這樣我們可以抓住他們一秒鐘左右，同步，“Mikael Afzelius解釋說，應用物理學系的研究員UNIGE學院的科學。“但是一個光子在一秒鐘內傳播大約30萬公里！”這意味著物理學家和化學家必須挖掘出一種材料，這種材料與外界干擾隔絕得很好，但仍能在高頻率下工作，以便光子能被迅速儲存和恢復——這兩種特性通常被認為是不相容的。

稀土“圣杯”的“引爆點”

盡管實驗室測試的量子內存原型已經存在，包括那些基于稀土元素的原型，如銪或鐠，但它們的速度還不夠快。“因此，我們把興趣從元素周期表上轉移到一種迄今為止很少受到關注的稀土元素：鐿，”尼古拉·吉辛(Nicolas Gisin)解釋道。吉辛是優尼格大學(UNIGE)科學學院應用物理系教授，也是ID Quantique的創始人。Gisin教授補充道：“我們的目標是找到制造量子中繼器的理想材料，這需要將原子從它們的環境中分離出來，而環境往往會干擾信號。”這似乎就是鐿的情況！

UNIGE和CNRS的物理學家發現，通過將稀土置于非常精確的磁場中，稀土原子進入一種不敏感狀態，從而與環境中的干擾隔絕，從而有可能捕獲光子，使其同步。“我們通過改變磁場的振幅和方向找到了一個‘神奇的點’，”UNIGE應用物理系的研究員阿列克謝·蒂拉諾夫(Alexey Tiranov)和巴黎希米研究所(Chimie Paris research institute)的研究員菲利普·戈德納(Philippe Goldner)說。“當達到這一點時，鐿原子的相干時間增加了1000倍，同時在高頻率下工作！”

鐿的好處

物理學家們現在正在構建基于鐿的量子存儲器，這種存儲器可以用來快速地從一個中繼器過渡到另一個中繼器，同時盡可能長時間地保持光子，以實現必要的同步。這種材料為創造全球量子網絡開辟了一個新的可能性領域；它還強調了在進行基礎研究的同時進行更多應用研究的重要性，例如設計量子存儲器。