A kvantuminformatika egy új, kvantummechanikán alapuló információtechnológia, amely kódolja, kiszámítja és továbbítja a benne található fizikai információkat.kvantumrendszer.A kvantuminformatika fejlesztése és alkalmazása elvezet bennünket a „kvantumkorszakba”, nagyobb munkahatékonyságot, biztonságosabb kommunikációs módszereket, kényelmesebb és zöldebb életmódot valósít meg.
A kvantumrendszerek közötti kommunikáció hatékonysága attól függ, hogy mennyire képesek kölcsönhatásba lépni a fénnyel.Nagyon nehéz azonban olyan anyagot találni, amely teljes mértékben ki tudja használni az optikai kvantumtulajdonságokat.
A közelmúltban a párizsi Kémiai Intézet és a Karlsruhei Technológiai Intézet kutatócsoportja együtt demonstrálta a ritkaföldfém-europium-ionokon (Eu³+) alapuló molekuláris kristályok potenciálját optikai kvantumrendszerekben.Azt találták, hogy ennek az Eu³ + molekuláris kristálynak az ultra-keskeny vonalszélességű emissziója hatékony kölcsönhatást tesz lehetővé a fénnyel, és fontos értéket képviselkvantumkommunikációés a kvantumszámítás.
1. ábra: Kvantumkommunikáció ritkaföldfém-europium molekuláris kristályokon alapul
A kvantumállapotok szuperponálhatók, így a kvantuminformáció is szuperponálható.Egyetlen qubit egyidejűleg számos különböző állapotot képviselhet 0 és 1 között, lehetővé téve az adatok párhuzamos, kötegelt feldolgozását.Ennek eredményeként a kvantumszámítógépek számítási teljesítménye exponenciálisan megnő a hagyományos digitális számítógépekhez képest.A számítási műveletek végrehajtásához azonban a qubitek szuperpozíciójának képesnek kell lennie arra, hogy egy ideig folyamatosan fennmaradjon.A kvantummechanikában ezt a stabilitási időszakot koherencia-élettartamnak nevezik.A komplex molekulák nukleáris spinjei szuperpozíciós állapotokat érhetnek el, hosszú száraz élettartammal, mivel a környezet hatását a nukleáris spinekre hatékonyan árnyékolják.
A ritkaföldfém-ionok és a molekuláris kristályok két olyan rendszer, amelyet a kvantumtechnológiában használnak.A ritkaföldfém-ionok kiváló optikai és spin tulajdonságokkal rendelkeznek, de nehezen integrálhatókoptikai eszközök.A 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 egyesítik mindkettő előnyeit abban, hogy lézergerjesztéssel az Eu³ + olyan fotonokat bocsát ki, amelyek a magspinről információt hordoznak.Speciális lézeres kísérletekkel hatékony optikai/nukleáris spin interfész állítható elő.Ennek alapján a kutatók megvalósították a nukleáris spinszint-címzést, a fotonok koherens tárolását és az első kvantumművelet végrehajtását.
A hatékony kvantumszámításhoz általában több összefonódott qubitre van szükség.A kutatók kimutatták, hogy a fenti molekuláris kristályokban az Eu³ + képes kvantumösszefonódást elérni kósza elektromos tércsatolás révén, ezáltal lehetővé téve a kvantuminformációk feldolgozását.Mivel a molekuláris kristályok több ritkaföldfém-iont tartalmaznak, viszonylag nagy qubit-sűrűség érhető el.
A kvantumszámítással szemben támasztott másik követelmény az egyes qubitek címezhetősége.Ebben a munkában az optikai címzési technika javíthatja az olvasási sebességet és megakadályozhatja az áramköri jel interferenciáját.A korábbi tanulmányokhoz képest a jelen munkában közölt Eu³ + molekuláris kristályok optikai koherenciája körülbelül ezerszeresére javult, így a magspin állapotok optikailag meghatározott módon manipulálhatók.
Az optikai jelek alkalmasak nagy távolságú kvantuminformáció-elosztásra is, kvantumszámítógépek összekapcsolására a távoli kvantumkommunikációhoz.További megfontolás tárgyát képezheti az új Eu³ + molekuláris kristályok fotonikus szerkezetbe való integrálása a fényjel fokozása érdekében.Ez a munka ritkaföldfém-molekulákat használ a kvantuminternet alapjaként, és fontos lépést tesz a jövőbeni kvantumkommunikációs architektúrák felé.
Feladás időpontja: 2024-02-02