Квантова інформаційна технологія — це нова інформаційна технологія, заснована на квантовій механіці, яка кодує, обчислює та передає фізичну інформацію, що міститься вквантова системаРозвиток та застосування квантових інформаційних технологій приведуть нас у «квантову епоху» та забезпечать вищу ефективність роботи, безпечніші методи зв'язку та зручніший і екологічніший спосіб життя.
Ефективність зв'язку між квантовими системами залежить від їхньої здатності взаємодіяти зі світлом. Однак дуже важко знайти матеріал, який може повною мірою використовувати квантові властивості оптики.
Нещодавно дослідницька група з Інституту хімії в Парижі та Технологічного інституту Карлсруе разом продемонструвала потенціал молекулярного кристала на основі іонів рідкоземельних європію (Eu³+) для застосування в квантових системах оптики. Вони виявили, що надвузькосмугове випромінювання цього молекулярного кристала Eu³+ забезпечує ефективну взаємодію зі світлом і має важливе значення в...квантова комунікаціята квантові обчислення.
Рисунок 1: Квантовий зв'язок на основі молекулярних кристалів рідкісноземельного європію
Квантові стани можуть накладатися один на одного, тому можна накладати і квантову інформацію. Один кубіт може одночасно представляти різноманітні стани від 0 до 1, що дозволяє паралельно обробляти дані пакетами. В результаті обчислювальна потужність квантових комп'ютерів зростатиме експоненціально порівняно з традиційними цифровими комп'ютерами. Однак, для виконання обчислювальних операцій, суперпозиція кубітів повинна мати можливість стабільно зберігатися протягом певного періоду часу. У квантовій механіці цей період стабільності відомий як час життя когерентності. Ядерні спіни складних молекул можуть досягати станів суперпозиції з тривалим часом життя без зв'язку, оскільки вплив середовища на ядерні спіни ефективно екранується.
Рідкоземельні іони та молекулярні кристали – це дві системи, що використовуються в квантовій технології. Рідкоземельні іони мають чудові оптичні та спінові властивості, але їх важко інтегрувати воптичні пристроїМолекулярні кристали легше інтегрувати, але важко встановити надійний зв'язок між спіном і світлом, оскільки смуги випромінювання занадто широкі.
Молекулярні кристали рідкісноземельних елементів, розроблені в цій роботі, влучно поєднують переваги обох елементів, оскільки під впливом лазерного збудження Eu³+ може випромінювати фотони, що несуть інформацію про ядерний спін. За допомогою спеціальних лазерних експериментів можна створити ефективний оптичний/ядерний спіновий інтерфейс. На цій основі дослідники додатково реалізували адресацію ядерних спінових рівнів, когерентне зберігання фотонів та виконання першої квантової операції.
Для ефективних квантових обчислень зазвичай потрібні кілька заплутаних кубітів. Дослідники продемонстрували, що Eu³+ у вищезгаданих молекулярних кристалах може досягати квантової заплутаності завдяки зв'язку розсіяного електричного поля, що дозволяє обробляти квантову інформацію. Оскільки молекулярні кристали містять кілька іонів рідкоземельних елементів, можна досягти відносно високої щільності кубітів.
Ще однією вимогою для квантових обчислень є адресованість окремих кубітів. Метод оптичної адресації в цій роботі може покращити швидкість зчитування та запобігти інтерференції сигналу схеми. Порівняно з попередніми дослідженнями, оптична когерентність молекулярних кристалів Eu³+, про яку повідомляється в цій роботі, покращена приблизно в тисячу разів, так що стани ядерного спіну можна оптично маніпулювати певним чином.
Оптичні сигнали також підходять для поширення квантової інформації на великі відстані для з'єднання квантових комп'ютерів для віддаленого квантового зв'язку. Подальше розгляд може бути приділено інтеграції нових молекулярних кристалів Eu³+ у фотонну структуру для посилення світлового сигналу. Ця робота використовує молекули рідкоземельних елементів як основу для квантового Інтернету та робить важливий крок до майбутніх архітектур квантового зв'язку.
Час публікації: 02 січня 2024 р.