Квантовые информационные технологии — 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 «квантовую эпоху» 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 мог бы в полной мере использовать квантовые свойства оптики.
Недавно исследовательская группа из Института химии в Париже и Технологического института Карлсруэ вместе продемонстрировала потенциал молекулярного кристалла на основе редкоземельных ионов европия (Eu³ +) для применения в квантовых оптических системах. Они обнаружили, что излучение молекулярного кристалла Eu³ + со сверхузкой шириной линии обеспечивает эффективное взаимодействие со светом и имеет важное значение вквантовая связьи квантовые вычисления.
Рисунок 1. Квантовая связь на основе молекулярных кристаллов редкоземельного европия.
Квантовые состояния могут накладываться друг на друга, поэтому может накладываться и квантовая информация. Один кубит может одновременно представлять множество различных состояний от 0 до 1, что позволяет обрабатывать данные параллельно и в пакетном режиме. В результате вычислительная мощность квантовых компьютеров увеличится в геометрической прогрессии по сравнению с традиционными цифровыми компьютерами. Однако для выполнения вычислительных операций суперпозиция кубитов должна сохраняться стабильно в течение определенного периода времени. В квантовой механике этот период стабильности известен как время жизни когерентности. Ядерные спины сложных молекул могут достигать состояния суперпозиции с длительным временем жизни в сухом состоянии, поскольку влияние окружающей среды на ядерные спины эффективно экранируется.
Редкоземельные ионы и молекулярные кристаллы — две системы, которые используются в квантовой технологии. Редкоземельные ионы обладают превосходными оптическими и спиновыми свойствами, но их трудно интегрировать воптические устройства. Молекулярные кристаллы легче интегрировать, но установить надежную связь между спином и светом сложно из-за слишком широких полос излучения.
Молекулярные кристаллы редкоземельных элементов, разработанные в этой работе, удачно сочетают в себе преимущества обоих, заключающиеся в том, что при лазерном возбуждении Eu³ + может излучать фотоны, несущие информацию о ядерном спине. С помощью специальных лазерных экспериментов можно создать эффективный оптический/ядерный спиновый интерфейс. На этой основе исследователи реализовали адресацию на уровне ядерного спина, когерентное хранение фотонов и выполнение первой квантовой операции.
Для эффективных квантовых вычислений обычно требуется несколько запутанных кубитов. Исследователи продемонстрировали, что Eu³ + в вышеупомянутых молекулярных кристаллах может достигать квантовой запутанности посредством взаимодействия с рассеянными электрическими полями, что позволяет осуществлять квантовую обработку информации. Поскольку молекулярные кристаллы содержат множество редкоземельных ионов, можно достичь относительно высоких плотностей кубитов.
Еще одним требованием для квантовых вычислений является адресность отдельных кубитов. Метод оптической адресации в этой работе позволяет улучшить скорость чтения и предотвратить помехи сигнала схемы. По сравнению с предыдущими исследованиями, оптическая когерентность молекулярных кристаллов Eu³ +, о которой сообщается 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 подключения 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 на пути к будущим архитектурам квантовой связи.
Время публикации: 02 января 2024 г.