Kvanteinformationsteknologi er en ny informationsteknologi baseret på kvantemekanik, som koder, beregner og transmitterer den fysiske information indeholdt ikvantesystem. Udviklingen og anvendelsen af kvanteinformationsteknologi vil bringe os ind i "kvantealderen" og realisere højere arbejdseffektivitet, sikrere kommunikationsmetoder og mere bekvem og grøn livsstil.
Effektiviteten af kommunikation mellem kvantesystemer afhænger af deres evne til at interagere med lys. Det er dog meget svært at finde et materiale, der kan drage fuld fordel af optisks kvanteegenskaber.
For nylig demonstrerede et forskerhold ved Institute of Chemistry i Paris og Karlsruhe Institute of Technology sammen potentialet af en molekylær krystal baseret på sjældne jordarters europium-ioner (Eu³ +) til anvendelse i optiske kvantesystemer. De fandt ud af, at den ultrasnævre linjebredde-emission af denne Eu³+ molekylære krystal muliggør effektiv interaktion med lys og har vigtig værdi ikvantekommunikationog kvanteberegning.
Figur 1: Kvantekommunikation baseret på sjældne jordarters europium molekylære krystaller
Kvantetilstande kan overlejres, så kvanteinformation kan overlejres. En enkelt qubit kan samtidigt repræsentere en række forskellige tilstande mellem 0 og 1, hvilket gør det muligt at behandle data parallelt i batches. Som et resultat vil kvantecomputeres regnekraft stige eksponentielt sammenlignet med traditionelle digitale computere. Men for at udføre beregningsoperationer skal superpositionen af qubits være i stand til at vare stabilt i en periode. I kvantemekanikken er denne stabilitetsperiode kendt som kohærenslevetiden. De nukleare spins af komplekse molekyler kan opnå superpositionstilstande med lange tørre levetider, fordi miljøets indflydelse på nukleare spins er effektivt afskærmet.
Sjældne jordarters ioner og molekylære krystaller er to systemer, der er blevet brugt i kvanteteknologi. Sjældne jordarters ioner har fremragende optiske og spin-egenskaber, men de er svære at blive integreret ioptiske enheder. Molekylære krystaller er lettere at integrere, men det er vanskeligt at etablere en pålidelig forbindelse mellem spin og lys, fordi emissionsbåndene er for brede.
De sjældne jordarters molekylære krystaller, der er udviklet i dette arbejde, kombinerer fordelene ved begge, idet Eu³+ under laserexcitation kan udsende fotoner, der bærer information om nuklear spin. Gennem specifikke lasereksperimenter kan en effektiv optisk/nuklear spin-grænseflade genereres. På dette grundlag indså forskerne yderligere adressering af nuklear spin-niveau, sammenhængende lagring af fotoner og udførelsen af den første kvanteoperation.
For effektiv kvanteberegning kræves der normalt flere sammenfiltrede qubits. Forskerne påviste, at Eu³+ i ovennævnte molekylære krystaller kan opnå kvantesammenfiltring gennem strøelektrisk feltkobling og dermed muliggøre kvanteinformationsbehandling. Fordi de molekylære krystaller indeholder flere sjældne jordarters ioner, kan relativt høje qubit-densiteter opnås.
Et andet krav til kvanteberegning er adresserbarheden af individuelle qubits. Den optiske adresseringsteknik i dette arbejde kan forbedre læsehastigheden og forhindre interferens af kredsløbssignalet. Sammenlignet med tidligere undersøgelser er den optiske sammenhæng af Eu³ + molekylære krystaller rapporteret i dette arbejde forbedret med omkring tusind gange, så de nukleare spin-tilstande kan manipuleres optisk på en specifik måde.
Optiske signaler er også velegnede til langdistance-kvanteinformationsdistribution for at forbinde kvantecomputere til fjernkvantekommunikation. Yderligere overvejelser kunne tages til integrationen af nye Eu³+ molekylære krystaller i den fotoniske struktur for at forbedre det lysende signal. Dette arbejde bruger sjældne jordarters molekyler som grundlag for kvanteinternet og tager et vigtigt skridt mod fremtidige kvantekommunikationsarkitekturer.
Posttid: Jan-02-2024