Kvanteinformasjonsteknologi er en ny informasjonsteknologi basert på kvantemekanikk, som koder, beregner og overfører den fysiske informasjonen som finnes ikvantesystemUtviklingen og anvendelsen av kvanteinformasjonsteknologi vil bringe oss inn i «kvantealderen» og realisere høyere arbeidseffektivitet, sikrere kommunikasjonsmetoder og en mer praktisk og grønn livsstil.
Effektiviteten i kommunikasjonen mellom kvantesystemer avhenger av deres evne til å samhandle med lys. Det er imidlertid svært vanskelig å finne et materiale som kan dra full nytte av optikkens kvanteegenskaper.
Nylig demonstrerte et forskerteam ved Kjemiinstituttet i Paris og Karlsruhe teknologiske institutt sammen potensialet til en molekylær krystall basert på sjeldne jordartsmetaller (europiumioner) (Eu³+) for anvendelser i kvantesystemer innen optikk. De fant ut at den ultrasmale linjebreddeemisjonen fra denne Eu³+ molekylære krystallen muliggjør effektiv interaksjon med lys og har viktig verdi ikvantekommunikasjonog kvantedatamaskin.
Figur 1: Kvantekommunikasjon basert på molekylære krystaller av sjeldne jordarter av europium
Kvantetilstander kan legges over hverandre, slik at kvanteinformasjon kan legges over hverandre. En enkelt qubit kan samtidig representere en rekke forskjellige tilstander mellom 0 og 1, slik at data kan behandles parallelt i batcher. Som et resultat vil datakraften til kvantedatamaskiner øke eksponentielt sammenlignet med tradisjonelle digitale datamaskiner. For å kunne utføre beregningsoperasjoner må imidlertid superposisjonen av qubits kunne vedvare jevnt over en periode. I kvantemekanikk er denne stabilitetsperioden kjent som koherenslevetiden. Kjernespinnene til komplekse molekyler kan oppnå superposisjonstilstander med lange tørre levetider fordi miljøets påvirkning på kjernespinnene er effektivt skjermet.
Sjeldne jordartsioner og molekylære krystaller er to systemer som har blitt brukt i kvanteteknologi. Sjeldne jordartsioner har utmerkede optiske og spinnegenskaper, men de er vanskelige å integrere i.optiske enheterMolekylkrystaller er enklere å integrere, men det er vanskelig å etablere en pålitelig forbindelse mellom spinn og lys fordi emisjonsbåndene er for brede.
De sjeldne jordartsmolekylkrystallene som er utviklet i dette arbeidet, kombinerer fordelene ved begge deler på en pen måte, ved at Eu³+ under lasereksitasjon kan sende ut fotoner som bærer informasjon om kjernespinn. Gjennom spesifikke lasereksperimenter kan et effektivt optisk/kjernespinn-grensesnitt genereres. På dette grunnlaget realiserte forskerne videre kjernespinn-adressering, koherent lagring av fotoner og utførelsen av den første kvanteoperasjonen.
For effektiv kvanteberegning kreves det vanligvis flere sammenfiltrede qubits. Forskerne demonstrerte at Eu³+ i de ovennevnte molekylkrystallene kan oppnå kvantesammenfiltring gjennom spredt elektrisk feltkobling, og dermed muliggjøre kvanteinformasjonsbehandling. Fordi de molekylære krystallene inneholder flere sjeldne jordartsmetallioner, kan relativt høye qubit-tettheter oppnås.
Et annet krav for kvantedatamaskinering er adresserbarheten til individuelle qubits. Den optiske adresseringsteknikken i dette arbeidet kan forbedre lesehastigheten og forhindre interferens fra kretssignalet. Sammenlignet med tidligere studier er den optiske koherensen til Eu³+ molekylkrystaller rapportert i dette arbeidet forbedret med omtrent tusen ganger, slik at kjernespinntilstandene kan manipuleres optisk på en spesifikk måte.
Optiske signaler er også egnet for langdistanse distribusjon av kvanteinformasjon for å koble sammen kvantedatamaskiner for fjernkommunikasjon av kvante. Ytterligere vurdering kan gis til integrering av nye Eu³+ molekylære krystaller i den fotoniske strukturen for å forbedre lyssignalet. Dette arbeidet bruker sjeldne jordartsmolekyler som grunnlag for kvanteinternett, og tar et viktig skritt mot fremtidige kvantekommunikasjonsarkitekturer.
Publisert: 02.01.2024