Квантова інформаційна технологія — це нова інформаційна технологія, заснована на квантовій механіці, яка кодує, обчислює та передає фізичну інформацію, що міститься вквантова система.Розвиток і застосування квантових інформаційних технологій приведуть нас у «квантову епоху» та досягнуть вищої ефективності роботи, більш безпечних методів зв’язку та більш зручного та екологічного способу життя.
Ефективність зв'язку між квантовими системами залежить від їх здатності взаємодіяти зі світлом.Однак дуже важко знайти матеріал, який міг би повністю використати квантові властивості оптики.
Нещодавно дослідницька група з Інституту хімії в Парижі та Технологічного інституту Карлсруе спільно продемонструвала потенціал молекулярного кристала на основі рідкоземельних іонів європію (Eu³+) для застосування в квантових оптичних системах.Вони виявили, що ультравузька лінія випромінювання цього молекулярного кристала Eu³ + забезпечує ефективну взаємодію зі світлом і має важливе значення вквантовий зв'язокі квантові обчислення.
Рисунок 1: Квантова комунікація на основі рідкоземельних молекулярних кристалів європію
Квантові стани можуть бути накладені, тому квантова інформація може бути накладена.Один кубіт може одночасно представляти безліч різних станів від 0 до 1, що дозволяє обробляти дані паралельно в пакетах.У результаті обчислювальна потужність квантових комп’ютерів зросте в геометричній прогресії порівняно з традиційними цифровими комп’ютерами.Однак для того, щоб виконувати обчислювальні операції, суперпозиція кубітів повинна мати можливість постійно 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 сухим часом життя, оскільки вплив навколишнього середовища на ядерні спіни ефективно екранується.
Рідкоземельні іони та молекулярні кристали — це дві системи, які використовуються в квантовій технології.Рідкоземельні іони мають чудові оптичні та спінові властивості, але їх важко інтегруватиоптичні прилади.Молекулярні кристали легше інтегрувати, але важко встановити надійний зв'язок між спіном і світлом, оскільки смуги випромінювання занадто широкі.
Рідкоземельні молекулярні кристали, розроблені в цій роботі, акуратно поєднують переваги обох у тому, що під дією 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 далі реалізували адресацію ядерного спінового рівня, когерентне зберігання фотонів і виконання першої квантової операції.
Для ефективного квантового обчислення зазвичай потрібні кілька переплутаних кубітів.Дослідники продемонстрували, що Eu³ + у вищезазначених молекулярних кристалах може досягати квантової заплутаності через зв’язок блукаючого електричного поля, таким чином уможливлюючи квантову обробку інформації.Оскільки молекулярні кристали містять кілька рідкоземельних іонів, можна досягти відносно високої щільності кубітів.
Ще одна вимога до квантових обчислень — адресність окремих кубітів.Техніка оптичної адресації в цій роботі може покращити швидкість читання та запобігти інтерференції сигналу схеми.Порівняно з попередніми дослідженнями, оптична когерентність молекулярних кристалів Eu³ +, про яку повідомляється в цій роботі, покращилася приблизно в тисячу разів, так що ядерними спіновими станами можна оптично маніпулювати певним чином.
Оптичні сигнали також підходять для розповсюдження квантової інформації на великі відстані для підключення квантових комп’ютерів для віддаленого квантового зв’язку.Можна додатково розглянути інтеграцію нових молекулярних кристалів Eu³ + у фотонну структуру для посилення світлового сигналу.Ця робота використовує рідкоземельні молекули як основу для квантового Інтернету та робить важливий крок до майбутніх архітектур квантового зв’язку.
Час публікації: 02 січня 2024 р