Квантовая информационная технология — это новая информационная технология, основанная на квантовой механике, которая кодирует, вычисляет и передает физическую информацию, содержащуюся вквантовая система. Развитие и применение квантовых информационных технологий приведет нас в «квантовый век» и позволит реализовать более высокую эффективность работы, более безопасные методы связи и более удобный и экологичный образ жизни.
Эффективность связи между квантовыми системами зависит от их способности взаимодействовать со светом. Однако очень сложно найти материал, который может в полной мере использовать квантовые свойства оптики.
Недавно исследовательская группа 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 ультраузкая ширина линии излучения этого молекулярного кристалла Eu³ + обеспечивает эффективное взаимодействие со светом и имеет важное значение вквантовая коммуникацияи квантовые вычисления.
Рисунок 1: Квантовая связь на основе молекулярных кристаллов редкоземельного европия
Квантовые состояния могут быть наложены друг на друга, поэтому квантовая информация может быть наложена. Один кубит может одновременно представлять множество различных состояний от 0 до 1, что позволяет обрабатывать данные параллельно в пакетах. В результате вычислительная мощность квантовых компьютеров будет увеличиваться экспоненциально по сравнению с традиционными цифровыми компьютерами. Однако для выполнения вычислительных операций суперпозиция кубитов должна быть способна сохраняться устойчиво в течение определенного периода времени. В квантовой механике этот период стабильности известен как время жизни когерентности. Ядерные спины сложных молекул могут достигать состояний суперпозиции с длительным сухим временем жизни, поскольку влияние окружающей среды на ядерные спины эффективно экранируется.
Редкоземельные ионы и молекулярные кристаллы — две системы, которые использовались в квантовой технологии. Редкоземельные ионы обладают превосходными оптическими и спиновыми свойствами, но их трудно интегрировать воптические устройстваМолекулярные кристаллы легче интегрировать, но установить надежную связь между спином и светом сложно, поскольку полосы излучения слишком широки.
Молекулярные кристаллы редкоземельных элементов, разработанные в этой работе, аккуратно сочетают преимущества обоих в том, что при лазерном возбуждении Eu³ + может испускать фотоны, несущие информацию о ядерном спине. С помощью специальных лазерных экспериментов может быть создан эффективный интерфейс оптического/ядерного спина. На этой основе исследователи далее реализовали адресацию уровня ядерного спина, когерентное хранение фотонов и выполнение первой квантовой операции.
Для эффективных квантовых вычислений обычно требуется несколько запутанных кубитов. Исследователи продемонстрировали, что Eu³ + в вышеуказанных молекулярных кристаллах может достигать квантовой запутанности посредством связи с рассеянным электрическим полем, что позволяет осуществлять квантовую обработку информации. Поскольку молекулярные кристаллы содержат несколько редкоземельных ионов, можно достичь относительно высокой плотности кубитов.
Другим требованием для квантовых вычислений является адресуемость отдельных кубитов. Метод оптической адресации в этой работе может улучшить скорость считывания и предотвратить помехи сигнала схемы. По сравнению с предыдущими исследованиями оптическая когерентность молекулярных кристаллов Eu³ +, описанная в этой работе, улучшена примерно в тысячу раз, так что состояниями ядерного спина можно оптически манипулировать определенным образом.
Оптические сигналы также подходят для распространения квантовой информации на большие расстояния для соединения квантовых компьютеров для удаленной квантовой связи. Дальнейшее рассмотрение может быть уделено интеграции новых молекулярных кристаллов Eu³ + в фотонную структуру для усиления светового сигнала. Эта работа использует редкоземельные молекулы в качестве основы для квантового Интернета и делает важный шаг к будущим архитектурам квантовой связи.
Время публикации: 02.01.2024