Kvantna informacijska tehnologija je nova informacijska tehnologija, ki temelji na kvantni mehaniki in kodira, izračunava in prenaša fizikalne informacije, ki jih vsebuje ...kvantni sistemRazvoj in uporaba kvantne informacijske tehnologije nas bosta popeljala v »kvantno dobo« in dosegla večjo delovno učinkovitost, varnejše komunikacijske metode ter bolj priročen in zelen življenjski slog.
Učinkovitost komunikacije med kvantnimi sistemi je odvisna od njihove sposobnosti interakcije s svetlobo. Vendar pa je zelo težko najti material, ki bi lahko v celoti izkoristil kvantne lastnosti optike.
Nedavno je raziskovalna skupina na Kemijskem inštitutu v Parizu in Tehnološkem inštitutu Karlsruhe skupaj pokazala potencial molekularnega kristala na osnovi redkozemeljskih evropijevih ionov (Eu³+) za uporabo v kvantnih optičnih sistemih. Ugotovili so, da ultra ozka širina črte emisije tega molekularnega kristala Eu³+ omogoča učinkovito interakcijo s svetlobo in ima pomembno vrednost pri...kvantna komunikacijain kvantno računalništvo.
Slika 1: Kvantna komunikacija na osnovi molekularnih kristalov redkih zemelj evropija
Kvantna stanja se lahko prekrivajo, zato se lahko prekrivajo kvantne informacije. En sam kubit lahko hkrati predstavlja različna stanja med 0 in 1, kar omogoča vzporedno obdelavo podatkov v serijah. Posledično se bo računalniška moč kvantnih računalnikov eksponentno povečala v primerjavi s tradicionalnimi digitalnimi računalniki. Vendar pa mora za izvajanje računskih operacij superpozicija kubitov vztrajati enakomerno določeno časovno obdobje. V kvantni mehaniki je to obdobje stabilnosti znano kot koherenčna življenjska doba. Jedrni spini kompleksnih molekul lahko dosežejo superpozicijska stanja z dolgimi suhimi življenjskimi dobami, ker je vpliv okolja na jedrne spine učinkovito zaščiten.
Redkozemeljski ioni in molekularni kristali sta dva sistema, ki se uporabljata v kvantni tehnologiji. Redkozemeljski ioni imajo odlične optične in spinske lastnosti, vendar jih je težko integrirati voptične napraveMolekularne kristale je lažje integrirati, vendar je težko vzpostaviti zanesljivo povezavo med spinom in svetlobo, ker so emisijski pasovi preširoki.
Molekularni kristali redkih zemelj, razviti v tem delu, lepo združujejo prednosti obeh, saj lahko Eu³+ pod laserskim vzbujanjem oddaja fotone, ki nosijo informacije o jedrskem spinu. S specifičnimi laserskimi poskusi je mogoče ustvariti učinkovit optični/jedrski spin vmesnik. Na tej podlagi so raziskovalci nadalje uresničili naslavljanje jedrskega spina, koherentno shranjevanje fotonov in izvedbo prve kvantne operacije.
Za učinkovito kvantno računanje je običajno potrebnih več prepletenih kubitov. Raziskovalci so pokazali, da lahko Eu³+ v zgornjih molekularnih kristalih doseže kvantno prepletenost s sklopitvijo razpršenega električnega polja, kar omogoča obdelavo kvantnih informacij. Ker molekularni kristali vsebujejo več ionov redkih zemelj, je mogoče doseči relativno visoke gostote kubitov.
Druga zahteva za kvantno računalništvo je naslovljivost posameznih kubitov. Tehnika optičnega naslavljanja v tem delu lahko izboljša hitrost branja in prepreči motnje signala vezja. V primerjavi s prejšnjimi študijami je optična koherenca molekularnih kristalov Eu³+, o katerih poročamo v tem delu, izboljšana za približno tisočkrat, tako da je mogoče jedrna spinska stanja optično manipulirati na specifičen način.
Optični signali so primerni tudi za distribucijo kvantnih informacij na dolge razdalje za povezovanje kvantnih računalnikov za oddaljeno kvantno komunikacijo. Nadaljnje razmisleke bi lahko namenili integraciji novih molekularnih kristalov Eu³+ v fotonsko strukturo za izboljšanje svetlobnega signala. To delo uporablja molekule redkih zemelj kot osnovo za kvantni internet in je pomemben korak k prihodnjim arhitekturam kvantne komunikacije.
Čas objave: 2. januar 2024