量子通信和密碼學(xué)是高安全性通信的未來。但是，在建立一個(gè)全球性的量子網(wǎng)絡(luò)之前，還有許多挑戰(zhàn)，包括將量子信號長距離傳播。其中一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造存儲光所攜帶的量子信息的記憶。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)的研究人員與法國CNRS合作，發(fā)現(xiàn)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(hù)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(wǎng)絡(luò)的理想候選者，量子網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是通過充當(dāng)中繼器來實(shí)現(xiàn)信號的長距離傳輸。這些結(jié)果發(fā)表在《自然材料》雜志上。

如今，量子密碼學(xué)使用的光纖長達(dá)數(shù)百公里，其特點(diǎn)是高度安全：不讓信息消失，就不可能復(fù)制或攔截信息。然而，無法復(fù)制信號這一事實(shí)也阻止了科學(xué)家們將其放大以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，就像Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的情況一樣。

由于信號不可能在不消失的情況下被復(fù)制或放大，科學(xué)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(fù)它，從而使它們能夠擴(kuò)散得越來越遠(yuǎn)。剩下的就是找到制造這些量子記憶的合適材料?！半y題在于如何找到一種材料能孤立量子信息轉(zhuǎn)達(dá)了環(huán)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(yīng)用物理學(xué)系的研究員UNIGE學(xué)院的科學(xué)。

“但是一個(gè)光子在一秒鐘內(nèi)傳播大約30萬公里！”這意味著物理學(xué)家和化學(xué)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(fù)——這兩種特性通常被認(rèn)為是不相容的。

盡管實(shí)驗(yàn)室測試的量子內(nèi)存原型已經(jīng)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?！耙虼?，我們把興趣從元素周期表上轉(zhuǎn)移到一種迄今為止很少受到關(guān)注的稀土元素：鐿，”尼古拉·吉辛(Nicolas Gisin)解釋道。吉辛是優(yōu)尼格大學(xué)(UNIGE)科學(xué)學(xué)院應(yīng)用物理系教授，也是ID Quantique的創(chuàng)始人。Gisin教授補(bǔ)充道：“我們的目標(biāo)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(huán)境中分離出來，而環(huán)境往往會干擾信號?！边@似乎就是鐿的情況！

UNIGE和CNRS的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過將稀土置于非常精確的磁場中，稀土原子進(jìn)入一種不敏感狀態(tài)，從而與環(huán)境中的干擾隔絕，從而有可能捕獲光子，使其同步?！拔覀兺ㄟ^改變磁場的振幅和方向找到了一個(gè)‘神奇的點(diǎn)’，”UNIGE應(yīng)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?！爱?dāng)達(dá)到這一點(diǎn)時(shí)，鐿原子的相干時(shí)間增加了1000倍，同時(shí)在高頻率下工作！”

物理學(xué)家們現(xiàn)在正在構(gòu)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(gè)中繼器過渡到另一個(gè)中繼器，同時(shí)盡可能長時(shí)間地保持光子，以實(shí)現(xiàn)必要的同步。這種材料為創(chuàng)造全球量子網(wǎng)絡(luò)開辟了一個(gè)新的可能性領(lǐng)域；它還強(qiáng)調(diào)了在進(jìn)行基礎(chǔ)研究的同時(shí)進(jìn)行更多應(yīng)用研究的重要性，例如設(shè)計(jì)量子存儲器。