Kvanteinformationsteknologi er en ny informationsteknologi baseret på kvantemekanik, som koder, beregner og transmitterer den fysiske information indeholdt ikvantesystemUdviklingen og anvendelsen af kvanteinformationsteknologi vil bringe os ind i "kvantealderen" og realisere højere arbejdseffektivitet, mere sikre kommunikationsmetoder og en mere bekvem og grøn livsstil.
Effektiviteten af kommunikationen mellem kvantesystemer afhænger af deres evne til at interagere med lys. Det er dog meget vanskeligt at finde et materiale, der fuldt ud kan udnytte optikkens kvanteegenskaber.
For nylig demonstrerede et forskerhold ved Institut für Kemi i Paris og Karlsruhe Institute of Technology sammen potentialet for en molekylær krystal baseret på sjældne jordarters europiumioner (Eu³+) til anvendelser i kvantesystemer inden for optik. De fandt ud af, at den ultrasmalle linjebreddeemission fra denne Eu³+ molekylære krystal muliggør effektiv interaktion med lys og har vigtig værdi ikvantekommunikationog kvanteberegning.
Figur 1: Kvantekommunikation baseret på molekylære krystaller af sjældne jordarters europium
Kvantetilstande kan superponeres, så kvanteinformation kan superponeres. En enkelt qubit kan samtidigt repræsentere en række forskellige tilstande mellem 0 og 1, hvilket tillader data at blive behandlet parallelt i batches. Som et resultat vil kvantecomputeres computerkraft stige eksponentielt sammenlignet med traditionelle digitale computere. For at kunne udføre beregningsoperationer skal superpositionen af qubits dog kunne vare stabilt i en periode. I kvantemekanik er denne stabilitetsperiode kendt som kohærenslevetiden. De nukleare spins i 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 vanskelige at integrere i.optiske enhederMolekylkrystaller er lettere at integrere, men det er vanskeligt at etablere en pålidelig forbindelse mellem spin og lys, fordi emissionsbåndene er for brede.
De sjældne jordartsmolekylkrystaller, der er udviklet i dette arbejde, kombinerer på en elegant måde fordelene ved begge dele, idet Eu³+ under laserexcitation kan udsende fotoner, der bærer information om kernespin. Gennem specifikke lasereksperimenter kan en effektiv optisk/kernespin-grænseflade genereres. På dette grundlag realiserede forskerne yderligere adressering på kernespinniveau, kohærent lagring af fotoner og udførelsen af den første kvanteoperation.
For effektiv kvanteberegning kræves der normalt flere entanglede qubits. Forskerne demonstrerede, at Eu³+ i ovenstående molekylære krystaller kan opnå kvanteentanglement gennem kobling af spredte elektriske felter, hvilket muliggør kvanteinformationsbehandling. Fordi de molekylære krystaller indeholder flere sjældne jordarters ioner, kan der opnås relativt høje qubit-densiteter.
Et andet krav til kvanteberegning er adresserbarheden af individuelle qubits. Den optiske adresseringsteknik i dette arbejde kan forbedre læsehastigheden og forhindre interferens fra kredsløbssignalet. Sammenlignet med tidligere undersøgelser er den optiske kohærens af Eu³+ molekylkrystaller rapporteret i dette arbejde forbedret med omkring tusind gange, således at kernens spintilstande kan manipuleres optisk på en specifik måde.
Optiske signaler er også velegnede til distribution af kvanteinformation over lange afstande for at forbinde kvantecomputere til fjernkommunikation med kvantecomputere. Yderligere overvejelser kunne gives om integrationen af nye Eu³+ molekylære krystaller i den fotoniske struktur for at forbedre lyssignalet. Dette arbejde bruger sjældne jordartsmolekyler som basis for kvanteinternettet og tager et vigtigt skridt mod fremtidige kvantekommunikationsarkitekturer.
Opslagstidspunkt: 02.01.2024