Si vous deviez essayer de réciter le tableau périodique, vous pourriez trébucher avant d'arriver aux éléments des terres rares.

Composé d'yttrium (élément 39) et de tout, du lanthane (élément 57) au lutétium (élément 71), les terres rares sont inconnues de la plupart d'entre nous. Mais ils sont vitaux pour les technologies que nous utilisons au quotidien, des lampes fluorescentes à Internet.

Récemment, nous avons montré qu'un élément des terres rares, erbium (élément 68), peut jouer un rôle crucial dans le futur Internet quantique.

Que sont les terres rares, De toute façon?

Même le nom de "terres rares" est trompeur. En réalité, les éléments de terres rares ne sont pas particulièrement rares. Cérium, par exemple, est aussi commun que le cuivre.

L'appellation "terres rares" est venue du fait qu'elles sont dispersées dans les minerais et difficiles à extraire, ainsi, seules de petites quantités ont pu être isolées. Aujourd'hui, bien que, nous extrayons plus de 100, 000 tonnes de terres rares par an.

Les applications des éléments des terres rares sont très variées. Alliages métalliques, c'est-à-dire mélanges - contenant des ions de terres rares tels que le néodyme font les aimants les plus puissants. Ils sont utilisés dans tout, des haut-parleurs audio aux moteurs électriques. Les pots catalytiques qui réduisent les émissions nocives des pots d'échappement des voitures utilisent du cérium, et les batteries rechargeables nickel-hydrure métallique utilisent du lanthane.

Les cristaux contenant des ions de terres rares absorbent et émettent de la lumière à diverses longueurs d'onde utiles dans l'ultraviolet, gammes visible et infrarouge du spectre.

Cela signifie que les éléments de terres rares sont courants dans l'éclairage. Poudres de cristal - appelées phosphores - contenant de l'europium, terbium, et le cérium sont utilisés pour créer le rouge, vert, et des pixels bleus qui composent un écran de télévision plasma couleur. Ils sont également mélangés pour créer la lumière blanche des ampoules fluorescentes compactes.

Erbium et Internet

Erbium, pendant ce temps, joue un rôle essentiel dans le réseau de fibre optique d'Internet.

La majeure partie du trafic Internet mondial se déplace sous forme de lumière dans des fibres optiques. Cela permet une transmission rapide avec une très faible perte à la bonne longueur d'onde (environ 1, 500-1, 600 nanomètres ; un nanomètre est un milliardième de mètre).

Toutefois, sur de longues distances, cette perte - fuite de lumière hors de la fibre - est un problème majeur, et la lumière doit être périodiquement amplifiée.

Puisque l'erbium absorbe et émet de la lumière à 1, 550 nanomètres, exactement au milieu de la bande télécom fibre, il peut être utilisé pour amplifier la lumière dans un appareil appelé amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA).

Les fibres optiques sous-marines qui forment l'épine dorsale d'Internet ont des EDFA tous les 80 km environ.

L'internet quantique

Internet permet aux ordinateurs actuels de communiquer entre eux, mais les chercheurs développent maintenant des ordinateurs quantiques. L'erbium pourrait jouer un rôle important ici aussi.

Les ordinateurs quantiques utilisent l'un des aspects les plus étranges de la physique quantique - la superposition quantique, où les particules peuvent exister simultanément dans deux états différents - pour coder des informations. Pour que ces ordinateurs communiquent entre eux, nous avons besoin d'un nouveau type de réseau capable de conserver cette information quantique. En d'autres termes, un internet quantique.

Pour créer l'Internet quantique, nous devons construire les analogues quantiques de chaque élément de l'Internet classique. L'analogue quantique des EDFA utilisés comme amplificateurs dans nos fibres optiques sous-marines actuelles est appelé un répéteur quantique. À son tour, cela nécessiterait de la mémoire quantique, qui est utilisé pour stocker et synchroniser le trafic d'informations dans le réseau.

Des chercheurs du monde entier travaillent sur les mémoires quantiques depuis plus d'une décennie, mais en stockant des informations quantiques même pour 1/1, 000 de seconde est un défi. Nous avons besoin de temps de stockage d'au moins 1/10 de seconde pour l'internet quantique.

Il a également été très difficile de fabriquer des mémoires qui fonctionnent pour la lumière dans la bande des télécommunications par fibre, la longueur d'onde requise pour les fibres optiques.

La meilleure approche à ce jour a été de construire la mémoire à une longueur d'onde différente, et d'essayer de l'interfacer avec la bande de fibre optique en, par exemple, convertir la longueur d'onde de la lumière à l'entrée et à la sortie de la mémoire - un défi en soi.

L'erbium va-t-il aider ?

Puisque l'erbium interagit avec la lumière exactement à la bonne longueur d'onde, cela semble être le choix évident pour une mémoire quantique. Cependant, l'erbium est médiocre pour stocker l'information quantique.

Le problème est que l'erbium est sensible aux minuscules fluctuations du champ magnétique qui se produisent dans les cristaux, et cela dégrade rapidement toute information quantique qu'il détient.

Récemment, nous avons découvert que l'application d'un champ magnétique important peut grandement améliorer le temps de stockage quantique de certains cristaux d'erbium. Ce champ, qui est similaire à celui à l'intérieur d'un appareil d'IRM d'hôpital, calme les fluctuations du champ magnétique. La durée de conservation de l'erbium peut alors être améliorée d'un facteur 10, 000 à plus de 1 seconde.

Il s'agit du premier système compatible avec les fibres optiques nécessaires à un internet quantique global qui dispose d'une durée de stockage suffisamment longue pour ce réseau. Les prochaines étapes consistent à construire des répéteurs quantiques avec ce système, et installez-les sur un réseau de test pour mesurer leurs performances.

À l'avenir, Les matériaux en erbium peuvent faire partie intégrante de l'Internet quantique comme ils le sont déjà dans notre Internet actuel.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.