Квантовая связь: молекулы, редкоземельные элементы и оптические компоненты.

Квантовые информационные технологии — это новые информационные технологии, основанные на квантовой механике, которые кодируют, вычисляют и передают физическую информацию, содержащуюся в...квантовая системаРазвитие и применение квантовых информационных технологий приведут нас в «квантовую эпоху», позволят повысить эффективность работы, обеспечить более безопасные методы связи и создать более удобный и экологичный образ 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 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 оптических системах. Они обнаружили, что сверхузкая ширина линии излучения этого молекулярного кристалла Eu³⁺ обеспечивает эффективное взаимодействие со светом и имеет важное значение дляквантовая связьи квантовых вычислений.

Рисунок 1: Квантовая связь на основе молекулярных кристаллов редкоземельного европия.

Квантовые состояния могут накладываться друг на друга, следовательно, квантовая информация также может накладываться друг на друга. Один кубит может одновременно представлять множество различных состояний от 0 до 1, что позволяет обрабатывать данные параллельно партиями. В результате вычислительная мощность квантовых компьютеров будет экспоненциально возрастать 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 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, которые используются в квантовых технологиях. Ионы редкоземельных элементов обладают превосходными оптическими и спиновыми свойствами, но их сложно интегрировать в другие системы.оптические устройстваМолекулярные кристаллы легче интегрировать, но трудно установить надежную связь между спином и светом, поскольку полосы излучения слишком широкие.

Разработанные в данной работе молекулярные кристаллы редкоземельных элементов удачно сочетают в себе преимущества обоих подходов, поскольку при лазерном возбуждении ионы Eu³⁺ могут испускать фотоны, несущие информацию о ядерном спине. С помощью специальных лазерных экспериментов можно создать эффективный оптический/ядерный спиновый интерфейс. На этой основе исследователи далее реализовали адресацию уровней ядерного спина, когерентное хранение фотонов и выполнение первой квантовой операции.

Для эффективных квантовых вычислений обычно требуется множество запутанных кубитов. Исследователи продемонстрировали, что ионы Eu³⁺ в вышеупомянутых молекулярных кристаллах могут достигать квантовой запутанности за счет связи с рассеянным электрическим полем, что позволяет осуществлять квантовую обработку информации. Поскольку молекулярные кристаллы содержат множество ионов редкоземельных элементов, можно достичь относительно высокой плотности кубитов.

Еще одним требованием для квантовых вычислений является адресность отдельных кубитов. Применяемая в данной работе оптическая адресация позволяет повысить скорость считывания и предотвратить помехи от сигнала схемы. По сравнению с предыдущими исследованиями, оптическая когерентность молекулярных кристаллов Eu³⁺, описанных в данной работе, улучшена примерно в тысячу раз, что позволяет оптически управлять состояниями ядерного спина определенным образом.

Оптические сигналы также подходят для передачи квантовой информации на большие расстояния, позволяя подключать квантовые компьютеры для удаленной квантовой связи. Дальнейшее рассмотрение может быть направлено на интеграцию новых молекулярных кристаллов Eu³⁺ в фотонную структуру для усиления светового сигнала. В данной работе в качестве основы для квантового интернета используются редкоземельные молекулы, что является важным шагом на пути к созданию будущих архитектур квантовой связи.