Kvantová informačná technológia je nová informačná technológia založená na kvantovej mechanike, ktorá kóduje, vypočítava a prenáša fyzikálne informácie obsiahnuté vkvantový systémRozvoj a aplikácia kvantovej informačnej technológie nás privedie do „kvantového veku“ a dosiahneme vyššiu efektivitu práce, bezpečnejšie komunikačné metódy a pohodlnejší a ekologickejší životný štýl.
Účinnosť komunikácie medzi kvantovými systémami závisí od ich schopnosti interagovať so svetlom. Je však veľmi ťažké nájsť materiál, ktorý by dokázal plne využiť kvantové vlastnosti optiky.
Výskumný tím z Chemického inštitútu v Paríži a Technologického inštitútu v Karlsruhe nedávno spoločne demonštroval potenciál molekulárneho kryštálu založeného na iónoch európia vzácnych zemín (Eu³+) pre aplikácie v kvantových optických systémoch. Zistili, že ultraúzka šírka čiary emisie tohto molekulárneho kryštálu Eu³+ umožňuje efektívnu interakciu so svetlom a má dôležitú hodnotu v...kvantová komunikáciaa kvantové výpočty.
Obrázok 1: Kvantová komunikácia založená na molekulárnych kryštáloch vzácnych zemín európia
Kvantové stavy sa dajú superponovať, a tak sa dajú superponovať kvantové informácie. Jeden qubit môže súčasne reprezentovať rôzne stavy medzi 0 a 1, čo umožňuje paralelné spracovanie údajov v dávkach. V dôsledku toho sa výpočtový výkon kvantových počítačov exponenciálne zvýši v porovnaní s tradičnými digitálnymi počítačmi. Aby však bolo možné vykonávať výpočtové operácie, superpozícia qubitov musí byť schopná pretrvávať stabilne po určitý čas. V kvantovej mechanike je toto obdobie stability známe ako koherenčná životnosť. Jadrové spiny komplexných molekúl môžu dosiahnuť superpozičné stavy s dlhou suchou životnosťou, pretože vplyv prostredia na jadrové spiny je účinne tienený.
Ióny vzácnych zemín a molekulárne kryštály sú dva systémy, ktoré sa používajú v kvantovej technológii. Ióny vzácnych zemín majú vynikajúce optické a spinové vlastnosti, ale je ťažké ich integrovať do...optické zariadeniaMolekulárne kryštály sa ľahšie integrujú, ale je ťažké vytvoriť spoľahlivé spojenie medzi spinom a svetlom, pretože emisné pásy sú príliš široké.
Molekulárne kryštály vzácnych zemín vyvinuté v tejto práci úhľadne kombinujú výhody oboch v tom, že pri laserovej excitácii môže Eu³+ emitovať fotóny nesúce informácie o jadrovom spine. Prostredníctvom špecifických laserových experimentov je možné vygenerovať efektívne optické/jadrové spinové rozhranie. Na tomto základe výskumníci ďalej realizovali adresovanie jadrových spinových úrovní, koherentné ukladanie fotónov a vykonanie prvej kvantovej operácie.
Pre efektívne kvantové výpočty je zvyčajne potrebných viacero previazaných qubitov. Výskumníci preukázali, že Eu³+ vo vyššie uvedených molekulárnych kryštáloch dokáže dosiahnuť kvantové previazanie prostredníctvom väzby rozptýleného elektrického poľa, čo umožňuje spracovanie kvantovej informácie. Keďže molekulárne kryštály obsahujú viacero iónov vzácnych zemín, je možné dosiahnuť relatívne vysoké hustoty qubitov.
Ďalšou požiadavkou pre kvantové výpočty je adresovateľnosť jednotlivých qubitov. Technika optického adresovania v tejto práci môže zlepšiť rýchlosť čítania a zabrániť interferencii signálu obvodu. V porovnaní s predchádzajúcimi štúdiami je optická koherencia molekulárnych kryštálov Eu³+ uvedených v tejto práci zlepšená približne tisícnásobne, takže stavy jadrového spinu je možné opticky manipulovať špecifickým spôsobom.
Optické signály sú vhodné aj na distribúciu kvantových informácií na dlhé vzdialenosti, aby sa prepojili kvantové počítače a umožnila sa im diaľková kvantová komunikácia. Ďalšie zváženie by sa mohlo venovať integrácii nových molekulárnych kryštálov Eu³+ do fotonickej štruktúry na zosilnenie svetelného signálu. Táto práca využíva molekuly vzácnych zemín ako základ kvantového internetu a predstavuje dôležitý krok smerom k budúcim architektúram kvantovej komunikácie.
Čas uverejnenia: 2. januára 2024