Kvantinformationsteknologi är en ny informationsteknik baserad på kvantmekanik, som kodar, beräknar och överför den fysiska information som finns ikvantsystem. Utvecklingen och tillämpningen av kvantinformationsteknologi kommer att föra oss in i "kvantåldern", och realisera högre arbetseffektivitet, säkrare kommunikationsmetoder och en mer bekväm och grön livsstil.
Effektiviteten av kommunikation 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 forskarlag vid Institute of Chemistry i Paris och Karlsruhe Institute of Technology tillsammans potentialen hos en molekylär kristall baserad på sällsynta jordartsmetaller europiumjoner (Eu³ +) för tillämpningar i optiska kvantsystem. De fann att den ultrasnäva linjebredden av denna Eu³ + molekylära kristall möjliggör effektiv interaktion med ljus och har ett viktigt värde ikvantkommunikationoch kvantberäkning.
Figur 1: Kvantkommunikation baserad på sällsynta jordartsmetaller europium molekylära kristaller
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 omgångar. Som ett resultat kommer beräkningskraften hos kvantdatorer att öka exponentiellt jämfört med traditionella digitala datorer. Men för att utföra beräkningsoperationer måste överlagringen av qubits kunna pågå stadigt under en tidsperiod. Inom kvantmekaniken är denna period av stabilitet känd som koherenslivslängden. Kärnspinn av komplexa molekyler kan uppnå superpositionstillstånd med långa torrlivslängder 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 och spinnegenskaper, men de är svåra att integreras ioptiska anordningar. Molekylära kristaller är lättare att integrera, men det är svårt att etablera en tillförlitlig koppling mellan spinn och ljus eftersom emissionsbanden är för breda.
De sällsynta jordartsmetallkristallerna som utvecklats i detta arbete kombinerar på ett snyggt sätt fördelarna med båda genom att Eu³+ under laserexcitation kan sända ut fotoner som bär information om kärnspinn. Genom specifika laserexperiment kan ett effektivt optiskt/nukleärt spinngränssnitt genereras. På grundval av detta insåg forskarna vidare adressering av kärnspinnnivå, koherent lagring av fotoner och utförandet av den första kvantoperationen.
För effektiv kvantberäkning krävs vanligtvis flera entangled qubits. Forskarna visade att Eu³ + i ovanstående molekylära kristaller kan uppnå kvantintrassling genom ströelektrisk fältkoppling, vilket möjliggör bearbetning av kvantinformation. Eftersom de molekylära kristallerna innehåller flera sällsynta jordartsmetalljoner kan relativt höga qubit-densiteter uppnås.
Ett annat krav för kvantberäkning är adresserbarheten för individuella kvantbitar. Den optiska adresseringstekniken i detta arbete kan förbättra läshastigheten och förhindra störningar av kretssignalen. Jämfört med tidigare studier förbättras den optiska koherensen av Eu³ + molekylära kristaller som rapporterats i detta arbete med ungefär tusen gånger, så att de nukleära spinntillstånden kan manipuleras optiskt på ett specifikt sätt.
Optiska signaler är också lämpliga för långdistansdistribution av kvantinformation för att ansluta kvantdatorer för fjärrkommunikation. Ytterligare överväganden skulle kunna tas till integrationen av nya Eu³+ molekylära kristaller i den fotoniska strukturen för att förbättra den lysande signalen. Detta arbete använder sällsynta jordartsmetaller som grund för kvantinternet och tar ett viktigt steg mot framtida kvantkommunikationsarkitekturer.
Posttid: Jan-02-2024