Kvanttitietotekniikka on uusi kvanttimekaniikkaan perustuva tietotekniikka, joka koodaa, laskee ja välittääkvanttijärjestelmä. Kvanttitietotekniikan kehittäminen ja soveltaminen vie meidät "kvanttiaikaan" ja toteuttaa työn tehokkuutta, turvallisempia viestintämenetelmiä sekä mukavampaa ja vihreämpää elämäntapaa.
Kvanttijärjestelmien välisen viestinnän tehokkuus riippuu niiden kyvystä olla vuorovaikutuksessa valon kanssa. On kuitenkin erittäin vaikeaa löytää materiaalia, joka voisi hyödyntää optiikan kvanttiominaisuuksia.
Äskettäin Pariisin kemian instituutin ja Karlsruhen teknillisen instituutin tutkimusryhmä osoittivat yhdessä harvinaisten maametallien europiumioneihin (Eu³+) perustuvan molekyylikiteen potentiaalin sovelluksiin optisten kvanttijärjestelmissä. He havaitsivat, että tämän Eu³ + -molekyylikiteen erittäin kapea viivanleveysemissio mahdollistaa tehokkaan vuorovaikutuksen valon kanssa ja sillä on tärkeä arvokvanttiviestintäja kvanttilaskenta.
Kuva 1: Harvinaisten maametallien europiummolekyylikiteisiin perustuva kvanttiviestintä
Kvanttitilat voidaan asettaa päällekkäin, joten kvanttiinformaatio voidaan päällekkäin. Yksi kubitti voi samanaikaisesti edustaa useita eri tiloja välillä 0 ja 1, jolloin dataa voidaan käsitellä rinnakkain erissä. Tämän seurauksena kvanttitietokoneiden laskentateho kasvaa eksponentiaalisesti perinteisiin digitaalisiin tietokoneisiin verrattuna. Laskennallisten operaatioiden suorittamiseksi kubittien superpositioiden on kuitenkin kyettävä jatkumaan tasaisesti jonkin aikaa. Kvanttimekaniikassa tämä stabiilisuusjakso tunnetaan koherenssin elinajana. Monimutkaisten molekyylien ydinspineillä voidaan saavuttaa superpositiotilat, joilla on pitkä kuiva-iki, koska ympäristön vaikutus ydinspiniin on suojattu tehokkaasti.
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 laitteet. Molekyylikiteet on helpompi integroida, mutta luotettavaa yhteyttä spinin ja valon välille on vaikea muodostaa, koska emissiokaistat ovat liian leveitä.
Tässä työssä kehitetyissä harvinaisten maametallien molekyylikiteissä yhdistyvät siististi molempien edut siinä, että Eu³+ voi laservirityksessä lähettää fotoneja, jotka kantavat tietoa ydinspinistä. Erityisten laserkokeiden avulla voidaan luoda tehokas optinen/ydinspin-rajapinta. Tämän perusteella tutkijat toteuttivat edelleen ydinspin-tason osoittamista, fotonien koherenttia varastointia ja ensimmäisen kvanttioperaation suorittamista.
Tehokkaan kvanttilaskentaan tarvitaan yleensä useita kietoutuneita kubitteja. Tutkijat osoittivat, että edellä mainituissa molekyylikiteissä oleva Eu³ + voi saavuttaa kvanttiketumisen sähkökentän hajakytkennän kautta, mikä mahdollistaa kvanttitietojen käsittelyn. Koska molekyylikiteet sisältävät useita harvinaisten maametallien ioneja, voidaan saavuttaa suhteellisen korkeat kubititiheydet.
Toinen kvanttilaskennan vaatimus on yksittäisten kubittien osoitettavuus. Optinen osoitustekniikka tässä työssä voi parantaa lukunopeutta ja estää piirisignaalin häiriöitä. Aiempiin tutkimuksiin verrattuna tässä työssä raportoitujen Eu³ + -molekyylikiteiden optinen koherenssi on parantunut noin tuhatkertaiseksi, joten ydinspin-tiloja voidaan optisesti manipuloida tietyllä tavalla.
Optiset signaalit soveltuvat myös pitkän matkan kvanttiinformaation jakeluun kvanttitietokoneiden yhdistämiseksi etäkvanttiviestintään. Lisäksi voitaisiin harkita uusien Eu³ + -molekyylikiteiden integrointia fotonirakenteeseen valosignaalin parantamiseksi. Tämä työ käyttää harvinaisten maametallien molekyylejä kvantti-Internetin perustana ja ottaa tärkeän askeleen kohti tulevaisuuden kvanttiviestintäarkkitehtuureja.
Postitusaika: 02.01.2024