A kvantuminformatika egy új, kvantummechanikán alapuló információs technológia, amely a világban található fizikai információkat kódolja, számítja ki és továbbítja.kvantumrendszerA kvantuminformatika fejlesztése és alkalmazása a „kvantumkorba” repít minket, és nagyobb munkahatékonyságot, biztonságosabb kommunikációs módszereket, valamint kényelmesebb és zöldebb életmódot eredményez.
A kvantumrendszerek közötti kommunikáció hatékonysága a fénnyel való kölcsönhatási képességüktől függ. Azonban nagyon nehéz olyan anyagot találni, amely teljes mértékben kihasználhatja az optikai kvantumtulajdonságokat.
Nemrégiben a párizsi Kémiai Intézet és a Karlsruhe-i Műszaki Intézet kutatócsoportja közösen demonstrálta egy ritkaföldfém-európiumionokon (Eu³+) alapuló molekuláris kristály alkalmazási lehetőségeit optikai kvantumrendszerekben. Azt találták, hogy ennek az Eu³+ molekuláris kristálynak az ultrakeskeny vonalszélességű emissziója hatékony kölcsönhatást tesz lehetővé a fénnyel, és fontos értéket képvisel a következőkben:kvantumkommunikációés a kvantum-számítástechnika.
1. ábra: Ritkaföldfém-európium molekuláris kristályokon alapuló kvantumkommunikáció
A kvantumállapotok szuperponálhatók, így a kvantuminformációk szuperponálhatók. Egyetlen qubit egyszerre több különböző állapotot is reprezentálhat 0 és 1 között, lehetővé téve az adatok párhuzamos, kötegelt feldolgozását. Ennek eredményeként a kvantumszámítógépek számítási teljesítménye exponenciálisan fog növekedni a hagyományos digitális számítógépekhez képest. A számítási műveletek végrehajtásához azonban a qubitek szuperpozíciójának egy bizonyos ideig stabilan fenn kell maradnia. A kvantummechanikában ezt a stabilitási időszakot koherencia élettartamnak nevezik. Az összetett molekulák magspinjei hosszú száraz élettartamú szuperpozíciós állapotokat érhetnek el, mivel a környezet magspinekre gyakorolt hatása hatékonyan árnyékolva van.
A ritkaföldfém-ionok és a molekuláris kristályok két olyan rendszer, amelyeket a kvantumtechnológiában alkalmaznak. A ritkaföldfém-ionok kiváló optikai és spin-tulajdonságokkal rendelkeznek, de nehéz integrálni őket a...optikai eszközökA molekuláris kristályok könnyebben integrálhatók, de nehéz megbízható kapcsolatot létrehozni a spin és a fény között, mivel az emissziós sávok túl szélesek.
Az ebben a munkában kifejlesztett ritkaföldfém molekuláris kristályok szépen ötvözik mindkét módszer előnyeit, mivel lézeres gerjesztés alatt az Eu³+ képes fotonokat kibocsátani, amelyek információt hordoznak a magspinről. Célzott lézerkísérletek révén hatékony optikai/magspin határfelület hozható létre. Ennek alapján a kutatók megvalósították a magspin szintű címzést, a fotonok koherens tárolását és az első kvantumművelet végrehajtását.
A hatékony kvantum-számítástechnikához általában több összefonódott qubitre van szükség. A kutatók kimutatták, hogy a fenti molekuláris kristályokban az Eu³+ kvantum-összefonódást érhet el kóbor elektromos tér csatolásán keresztül, ezáltal lehetővé téve a kvantum-információfeldolgozást. Mivel a molekuláris kristályok több ritkaföldfém-iont tartalmaznak, viszonylag nagy qubit-sűrűség érhető el.
A kvantumszámítástechnika további követelménye az egyes qubitek címezhetősége. Az ebben a munkában alkalmazott optikai címzési technika javíthatja az olvasási sebességet és megakadályozhatja az áramköri jel interferenciáját. A korábbi tanulmányokhoz képest az Eu³+ molekuláris kristályok optikai koherenciája, amelyről ebben a munkában számoltak be, körülbelül ezerszeresére javult, így a magspin-állapotok optikailag egy specifikus módon manipulálhatók.
Az optikai jelek alkalmasak nagy távolságú kvantuminformáció-elosztásra is, hogy kvantumszámítógépeket lehessen összekapcsolni távoli kvantumkommunikáció céljából. További megfontolásokat lehetne tenni új Eu³+ molekuláris kristályok integrálásával a fotonikus struktúrába a fényjel fokozása érdekében. Ez a munka ritkaföldfém-molekulákat használ a kvantuminternet alapjául, és fontos lépést tesz a jövőbeli kvantumkommunikációs architektúrák felé.
Közzététel ideje: 2024. január 2.