Kvantinformationsteknologi är en ny informationsteknik baserad på kvantmekanik, som kodar, beräknar och överför den fysiska information som finns ikvantsystemUtvecklingen och tillämpningen av kvantinformationsteknik kommer att föra oss in i "kvantåldern" och förverkliga högre arbetseffektivitet, säkrare kommunikationsmetoder och en bekvämare och grönare livsstil.
Effektiviteten i kommunikationen mellan kvantsystem beror på deras förmåga att interagera med ljus. Det är dock mycket svårt att hitta ett material som kan dra full nytta av optikens kvantegenskaper.
Nyligen demonstrerade ett forskarteam vid Kemiinstitutet i Paris och Karlsruhe Tekniska Högskola tillsammans potentialen hos en molekylkristall baserad på sällsynta jordartsmetaller europiumjoner (Eu³+) för tillämpningar i kvantoptiska system. De fann att den ultrasmala linjebreddemissionen från denna Eu³+-molekylkristall möjliggör effektiv interaktion med ljus och har ett viktigt värde ikvantkommunikationoch kvantberäkning.
Figur 1: Kvantkommunikation baserad på molekylära kristaller av sällsynta jordartsmetaller av europium
Kvanttillstånd kan överlagras, så kvantinformation kan överlagras. En enda qubit kan samtidigt representera en mängd olika tillstånd mellan 0 och 1, vilket gör att data kan bearbetas parallellt i batcher. Som ett resultat kommer kvantdatorers datorkraft att öka exponentiellt jämfört med traditionella digitala datorer. För att kunna utföra beräkningsoperationer måste dock superpositionen av qubitar kunna bestå stadigt under en tidsperiod. Inom kvantmekanik är denna stabilitetsperiod känd som koherenslivslängden. Kärnspinn i komplexa molekyler kan uppnå superpositionstillstånd med långa torra livslängder eftersom miljöns inverkan på kärnspinn är effektivt avskärmad.
Sällsynta jordartsmetalljoner och molekylära kristaller är två system som har använts inom kvantteknik. Sällsynta jordartsmetalljoner har utmärkta optiska egenskaper och spinnegenskaper, men de är svåra att integrera i.optiska anordningarMolekylära kristaller är lättare att integrera, men det är svårt att etablera en tillförlitlig koppling mellan spinn och ljus eftersom emissionsbanden är för breda.
De molekylära kristaller av sällsynta jordartsmetaller som utvecklats i detta arbete kombinerar på ett snyggt sätt fördelarna med båda, genom att Eu³+ under laserexcitation kan emittera fotoner som bär information om kärnspinn. Genom specifika laserexperiment kan ett effektivt optiskt/kärnspinn-gränssnitt genereras. På grundval av detta insåg forskarna vidare adressering på kärnspinnnivå, koherent lagring av fotoner och utförandet av den första kvantoperationen.
För effektiv kvantberäkning krävs vanligtvis flera sammanflätade qubitar. Forskarna visade att Eu³+ i ovanstående molekylkristaller kan uppnå kvantsammanflätning genom koppling av elektriska fält, vilket möjliggör bearbetning av kvantinformation. Eftersom molekylkristallerna innehåller flera sällsynta jordartsmetalljoner kan relativt höga qubitdensiteter uppnås.
Ett annat krav för kvantberäkning är adresserbarheten hos enskilda qubitar. Den optiska adresseringstekniken i detta arbete kan förbättra läshastigheten och förhindra störningar från kretssignalen. Jämfört med tidigare studier är den optiska koherensen hos Eu³+-molekylkristaller som rapporteras i detta arbete förbättrad med ungefär tusen gånger, så att kärnans spinntillstånd kan manipuleras optiskt på ett specifikt sätt.
Optiska signaler är också lämpliga för distribution av kvantinformation över långa avstånd för att ansluta kvantdatorer för fjärrkommunikation av kvantmetall. Ytterligare överväganden skulle kunna ges till integrationen av nya Eu³+-molekylkristaller i den fotoniska strukturen för att förbättra den ljusa signalen. Detta arbete använder sällsynta jordartsmetallmolekyler som bas för kvantinternet och tar ett viktigt steg mot framtida kvantkommunikationsarkitekturer.
Publiceringstid: 2 januari 2024