Kvanteinformasjonsteknologi er en ny informasjonsteknologi basert på kvantemekanikk, som koder, beregner og overfører den fysiske informasjonen ikvantesystem.Utviklingen og anvendelsen av kvanteinformasjonsteknologi vil bringe oss inn i "kvantealderen", og realisere høyere arbeidseffektivitet, sikrere kommunikasjonsmetoder og mer praktisk og grønn livsstil.
Effektiviteten av kommunikasjon 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 kvanteegenskapene til optisk.
Nylig demonstrerte et forskerteam ved Institute of Chemistry i Paris og Karlsruhe Institute of Technology sammen potensialet til en molekylær krystall basert på sjeldne jordarters europiumioner (Eu³ +) for bruk i optiske kvantesystemer.De fant at den ultrasmale linjebredde-emisjonen til denne Eu³ + molekylære krystallen muliggjør effektiv interaksjon med lys og har viktig verdi ikvantekommunikasjonog kvanteberegning.
Figur 1: Kvantekommunikasjon basert på sjeldne jordarter europium molekylære krystaller
Kvantetilstander kan overlegges, så kvanteinformasjon kan overlegges.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 utføre beregningsoperasjoner må imidlertid superposisjonen av qubits være i stand til å vedvare jevnt over en periode.I kvantemekanikk er denne perioden med stabilitet kjent som koherenslevetiden.Kjernespinnene til komplekse molekyler kan oppnå superposisjonstilstander med lang tørr levetid fordi påvirkningen fra miljøet på kjernefysiske spinn er effektivt skjermet.
Sjeldne jordarters ioner og molekylære krystaller er to systemer som har blitt brukt i kvanteteknologi.Sjeldne jordarters ioner har utmerkede optiske og spinnegenskaper, men de er vanskelige å integreres ioptiske enheter.Molekylære krystaller er lettere å integrere, men det er vanskelig å etablere en pålitelig forbindelse mellom spinn og lys fordi emisjonsbåndene er for brede.
De sjeldne molekylære krystallene som er utviklet i dette arbeidet kombinerer fordelene med begge ved at Eu³+ under lasereksitasjon kan sende ut fotoner som bærer informasjon om kjernefysisk spinn.Gjennom spesifikke lasereksperimenter kan et effektivt optisk/kjernefysisk spinn-grensesnitt genereres.På dette grunnlaget realiserte forskerne videre adressering av kjernespinnnivå, koherent lagring av fotoner og utførelsen av den første kvanteoperasjonen.
For effektiv kvanteberegning kreves vanligvis flere sammenfiltrede qubits.Forskerne demonstrerte at Eu³ + i de ovennevnte molekylære krystallene kan oppnå kvantesammenfiltring gjennom strøelektrisk feltkobling, og dermed muliggjøre prosessering av kvanteinformasjon.Fordi de molekylære krystallene inneholder flere sjeldne jordarter, kan relativt høye qubit-tettheter oppnås.
Et annet krav for kvanteberegning er adresserbarheten til individuelle qubits.Den optiske adresseringsteknikken i dette arbeidet kan forbedre lesehastigheten og forhindre forstyrrelse av kretssignalet.Sammenlignet med tidligere studier er den optiske koherensen til Eu³ + molekylære krystaller rapportert i dette arbeidet forbedret med omtrent tusen ganger, slik at kjernefysiske spinntilstander kan manipuleres optisk på en spesifikk måte.
Optiske signaler er også egnet for langdistanse distribusjon av kvanteinformasjon for å koble til kvantedatamaskiner for ekstern kvantekommunikasjon.Ytterligere vurdering kan tas til integrering av nye Eu³ + molekylære krystaller i den fotoniske strukturen for å forbedre det lysende signalet.Dette arbeidet bruker sjeldne jordartsmolekyler som grunnlag for kvanteinternett, og tar et viktig skritt mot fremtidige kvantekommunikasjonsarkitekturer.
Innleggstid: Jan-02-2024