Kvantti-informaatioteknologia on kvanttimekaniikkaan perustuva uusi informaatioteknologia, joka koodaa, laskee ja välittää fyysisiä tietoja.kvanttijärjestelmäKvantti-informaatioteknologian kehitys ja soveltaminen vievät meidät "kvanttiaikaan" ja mahdollistavat korkeamman työtehokkuuden, turvallisemmat viestintämenetelmät sekä kätevämmän ja vihreämmän elämäntavan.
Kvanttijärjestelmien välisen kommunikaation tehokkuus riippuu niiden kyvystä olla vuorovaikutuksessa valon kanssa. On kuitenkin erittäin vaikea löytää materiaalia, joka voi hyödyntää täysin optisten järjestelmien kvanttiominaisuuksia.
Pariisin kemian instituutin ja Karlsruhen teknillisen instituutin tutkimusryhmä osoitti hiljattain yhdessä harvinaisten maametallien europiumionien (Eu³+) pohjalta valmistetun molekyylikiteen potentiaalin optisten kvanttijärjestelmien sovelluksissa. He havaitsivat, että tämän Eu³+-molekyylikiteen erittäin kapea emissioviiva mahdollistaa tehokkaan vuorovaikutuksen valon kanssa ja sillä on tärkeä arvokvanttikommunikaatioja kvanttilaskenta.
Kuva 1: Kvanttikommunikaatio harvinaisten maametallien europiummolekyylikiteiden avulla
Kvanttitiloja voidaan päällekkäin asettaa, joten kvantti-informaatiota voidaan päällekkäin asettaa. Yksi kubitti voi samanaikaisesti edustaa useita eri tiloja välillä 0 ja 1, mikä mahdollistaa datan rinnakkaisen käsittelyn erissä. Tämän seurauksena kvanttitietokoneiden laskentateho kasvaa eksponentiaalisesti verrattuna perinteisiin digitaalisiin tietokoneisiin. Laskennallisten operaatioiden suorittamiseksi kubitien superposition on kuitenkin kyettävä säilymään tasaisesti tietyn ajan. Kvanttimekaniikassa tätä stabiiliusjaksoa kutsutaan koherenssieliajaksi. Monimutkaisten molekyylien ydinspinit voivat saavuttaa superpositiotiloja, joilla on pitkä kuiva elinikä, koska ympäristön vaikutus ydinspineihin on tehokkaasti suojattu.
Harvinaisten maametallien ionit ja molekyylikiteet ovat kaksi järjestelmää, joita on käytetty kvanttiteknologiassa. Harvinaisten maametallien ioneilla on erinomaiset optiset ja spin-ominaisuudet, mutta niitä on vaikea integroidaoptiset laitteetMolekyylikiteitä on helpompi integroida, mutta luotettavan yhteyden luominen spinin ja valon välille on vaikeaa, koska emissiovyöhykkeet ovat liian leveitä.
Tässä työssä kehitetyt harvinaisten maametallien molekyylikiteet yhdistävät siististi molempien edut siten, että laservirityksen alaisena Eu³+ voi emittoida fotoneja, jotka kuljettavat tietoa ydinspinistä. Spesifisien laserkokeiden avulla voidaan luoda tehokas optinen/ydinspin-rajapinta. Tämän pohjalta tutkijat toteuttivat edelleen ydinspin-tason osoituksen, fotonien koherentin varastoinnin ja ensimmäisen kvanttioperaation suorittamisen.
Tehokasta kvanttilaskentaa varten tarvitaan yleensä useita lomittuneisia kubitteja. Tutkijat osoittivat, että edellä mainituissa molekyylikiteissä Eu³+ voi saavuttaa kvanttilottumisen hajasähkökentän kytkennän kautta, mikä mahdollistaa kvantti-informaation käsittelyn. Koska molekyylikiteet sisältävät useita harvinaisten maametallien ioneja, voidaan saavuttaa suhteellisen suuria kubittitiheyksiä.
Toinen kvanttilaskennan vaatimus on yksittäisten kubitien osoitteellisuus. Tässä työssä käytetty optinen osoitustekniikka voi parantaa lukunopeutta ja estää piirisignaalin häiriöitä. Aiempiin tutkimuksiin verrattuna tässä työssä raportoitu Eu³+-molekyylikiteiden optinen koherenssi on parantunut noin tuhatkertaisesti, joten ydinten spin-tiloja voidaan optisesti manipuloida tietyllä tavalla.
Optiset signaalit soveltuvat myös pitkän matkan kvantti-informaation jakeluun kvanttitietokoneiden yhdistämiseksi etäkvanttiviestintää varten. Lisäksi voitaisiin harkita uusien Eu³+-molekyylikiteiden integrointia fotoniseen rakenteeseen valosignaalin parantamiseksi. Tämä työ käyttää harvinaisten maametallien molekyylejä kvantti-internetin perustana ja ottaa tärkeän askeleen kohti tulevaisuuden kvanttiviestintäarkkitehtuureja.
Julkaisun aika: 02.01.2024