Квантовая информационная технология — это новая информационная технология, основанная на квантовой механике, которая кодирует, вычисляет и передает физическую информацию, содержащуюся вквантовая системаРазвитие и применение квантовых информационных технологий приведут нас в «квантовую эпоху», где мы достигнем более высокой эффективности работы, более безопасных методов связи и более удобного и экологичного образа жизни.
Эффективность связи между квантовыми системами зависит от их способности взаимодействовать со светом. Однако найти материал, способный в полной мере использовать квантовые свойства оптики, крайне сложно.
Недавно группа исследователей из Института химии в Париже и Технологического института Карлсруэ совместно продемонстрировала потенциал молекулярного кристалла на основе редкоземельных ионов европия (Eu³+) для применения в квантовых системах оптики. Они обнаружили, что сверхузкая линия излучения этого молекулярного кристалла Eu³+ обеспечивает эффективное взаимодействие со светом и имеет важное значение дляквантовая коммуникацияи квантовые вычисления.
Рисунок 1: Квантовая связь на основе молекулярных кристаллов редкоземельного европия
Квантовые состояния могут быть суперпозиции, что позволяет накладывать квантовую информацию. Один кубит может одновременно представлять множество различных состояний от 0 до 1, что позволяет обрабатывать данные параллельно в пакетном режиме. В результате вычислительная мощность квантовых компьютеров будет экспоненциально возрастать по сравнению с традиционными цифровыми компьютерами. Однако для выполнения вычислительных операций суперпозиция кубитов должна сохраняться устойчиво в течение определённого периода времени. В квантовой механике этот период стабильности известен как время жизни когерентности. Ядерные спины сложных молекул могут достигать состояний суперпозиции с длительным временем жизни в сухом состоянии, поскольку влияние окружающей среды на ядерные спины эффективно экранируется.
Ионы редкоземельных элементов и молекулярные кристаллы — две системы, используемые в квантовой технологии. Ионы редкоземельных элементов обладают превосходными оптическими и спиновыми свойствами, но их сложно интегрировать в квантовые системы.оптические устройстваМолекулярные кристаллы легче интегрировать, но установить надежную связь между спином и светом сложно, поскольку полосы испускания слишком широки.
Молекулярные кристаллы редкоземельных элементов, разработанные в данной работе, гармонично сочетают преимущества обоих методов: при лазерном возбуждении Eu³+ может испускать фотоны, несущие информацию о ядерном спине. В ходе специальных лазерных экспериментов удалось создать эффективный интерфейс оптический/ядерный спин. На этой основе исследователи реализовали адресацию уровней ядерного спина, когерентное хранение фотонов и выполнение первой квантовой операции.
Для эффективных квантовых вычислений обычно требуется несколько запутанных кубитов. Исследователи продемонстрировали, что Eu³+ в молекулярных кристаллах может достигать квантовой запутанности посредством связи через рассеянное электрическое поле, что позволяет осуществлять квантовую обработку информации. Поскольку молекулярные кристаллы содержат несколько редкоземельных ионов, можно достичь относительно высокой плотности кубитов.
Другим требованием квантовых вычислений является адресуемость отдельных кубитов. Метод оптической адресации, используемый в данной работе, позволяет повысить скорость считывания и предотвратить интерференцию сигнала схемы. По сравнению с предыдущими исследованиями, оптическая когерентность молекулярных кристаллов Eu³+, описанная в данной работе, улучшена примерно в тысячу раз, что позволяет оптически манипулировать спиновыми состояниями ядер особым образом.
Оптические сигналы также подходят для передачи квантовой информации на большие расстояния, например, для соединения квантовых компьютеров с целью удалённой квантовой связи. Дополнительное внимание может быть уделено интеграции новых молекулярных кристаллов Eu³+ в фотонную структуру для усиления светового сигнала. В данной работе редкоземельные молекулы используются в качестве основы для квантового интернета, что является важным шагом на пути к будущим архитектурам квантовой связи.
Время публикации: 02 января 2024 г.