Technologia informacji kwantowej to nowa technologia informacyjna oparta na mechanice kwantowej, która koduje, oblicza i przesyła informacje fizyczne zawarte wukład kwantowyRozwój i zastosowanie technologii informacji kwantowej przeniesie nas w „erę kwantową” i pozwoli nam osiągnąć większą wydajność pracy, bezpieczniejsze metody komunikacji oraz wygodniejszy i bardziej ekologiczny styl życia.
Efektywność komunikacji między układami kwantowymi zależy od ich zdolności do interakcji ze światłem. Jednak znalezienie materiału, który w pełni wykorzystałby kwantowe właściwości optyki, jest bardzo trudne.
Niedawno zespół badawczy z Instytutu Chemii w Paryżu i Instytutu Technologii w Karlsruhe wspólnie zademonstrował potencjał kryształu molekularnego opartego na jonach europu ziem rzadkich (Eu³+) do zastosowań w kwantowych układach optycznych. Stwierdzili, że ultrawąska emisja linii tego kryształu molekularnego Eu³+ umożliwia efektywną interakcję ze światłem i ma istotne znaczenie wkomunikacja kwantowai obliczeń kwantowych.
Rysunek 1: Komunikacja kwantowa oparta na kryształach molekularnych europu ziem rzadkich
Stany kwantowe mogą się nakładać, a zatem informacja kwantowa również może się nakładać. Pojedynczy kubit może jednocześnie reprezentować wiele różnych stanów od 0 do 1, co umożliwia równoległe przetwarzanie danych w partiach. W rezultacie moc obliczeniowa komputerów kwantowych wzrośnie wykładniczo w porównaniu z tradycyjnymi komputerami cyfrowymi. Jednak, aby wykonywać operacje obliczeniowe, superpozycja kubitów musi być w stanie utrzymać się stabilnie przez pewien okres czasu. W mechanice kwantowej ten okres stabilności jest znany jako czas życia koherencji. Spiny jądrowe złożonych cząsteczek mogą osiągać stany superpozycji o długim czasie życia, ponieważ wpływ środowiska na spiny jądrowe jest skutecznie ekranowany.
Jony pierwiastków ziem rzadkich i kryształy molekularne to dwa systemy wykorzystywane w technologii kwantowej. Jony pierwiastków ziem rzadkich charakteryzują się doskonałymi właściwościami optycznymi i spinowymi, ale ich integracja jest trudna.urządzenia optyczneKryształy molekularne są łatwiejsze do zintegrowania, ale trudno jest ustalić niezawodne połączenie między spinem a światłem, ponieważ pasma emisyjne są zbyt szerokie.
Kryształy molekularne ziem rzadkich opracowane w ramach tej pracy łączą w sobie zalety obu tych metod, ponieważ pod wpływem wzbudzenia laserowego Eu³+ może emitować fotony niosące informacje o spinie jądrowym. Dzięki specjalistycznym eksperymentom laserowym możliwe jest wygenerowanie wydajnego interfejsu optycznego/spinowego. Na tej podstawie badacze zrealizowali również adresowanie spinu jądrowego, spójne przechowywanie fotonów oraz wykonanie pierwszej operacji kwantowej.
Do wydajnego przetwarzania kwantowego zazwyczaj wymagane jest wiele splątanych kubitów. Naukowcy wykazali, że Eu³+ w powyższych kryształach molekularnych może osiągnąć splątanie kwantowe poprzez sprzężenie rozproszonego pola elektrycznego, umożliwiając w ten sposób kwantowe przetwarzanie informacji. Ponieważ kryształy molekularne zawierają wiele jonów metali ziem rzadkich, możliwe jest osiągnięcie stosunkowo wysokiej gęstości kubitów.
Kolejnym wymogiem dla komputerów kwantowych jest adresowalność pojedynczych kubitów. Technika adresowania optycznego zastosowana w tej pracy może poprawić szybkość odczytu i zapobiec interferencji sygnału w obwodzie. W porównaniu z poprzednimi badaniami, spójność optyczna kryształów molekularnych Eu³+, opisana w tej pracy, została poprawiona około tysiąckrotnie, co umożliwia optyczną manipulację stanami spinów jądrowych w określony sposób.
Sygnały optyczne nadają się również do dalekosiężnej dystrybucji informacji kwantowej, łączącej komputery kwantowe w celu zdalnej komunikacji kwantowej. Można by rozważyć integrację nowych kryształów molekularnych Eu³+ ze strukturą fotoniczną w celu wzmocnienia sygnału świetlnego. Niniejsza praca wykorzystuje cząsteczki pierwiastków ziem rzadkich jako podstawę kwantowego internetu i stanowi ważny krok w kierunku przyszłych architektur komunikacji kwantowej.
Czas publikacji: 02-01-2024