Квантовата информационна технология е нова информационна технология, базирана на квантовата механика, която кодира, изчислява и предава физическата информация, съдържаща се вквантова системаРазвитието и прилагането на квантовите информационни технологии ще ни отведат в „квантовата ера“ и ще ни доведат до по-висока ефективност на работа, по-сигурни методи за комуникация и по-удобен и екологичен начин на живот.
Ефективността на комуникацията между квантовите системи зависи от способността им да взаимодействат със светлината. Много е трудно обаче да се намери материал, който може да се възползва максимално от квантовите свойства на оптиката.
Наскоро изследователски екип от Института по химия в Париж и Технологичния институт в Карлсруе съвместно демонстрираха потенциала на молекулярен кристал, базиран на редкоземни европиеви йони (Eu³+), за приложения в квантови оптични системи. Те откриха, че ултратяснолинейното излъчване на този молекулярен кристал Eu³+ позволява ефективно взаимодействие със светлината и има важна стойност в...квантова комуникацияи квантови изчисления.
Фигура 1: Квантова комуникация, базирана на молекулярни кристали от редкоземен европий
Квантовите състояния могат да се наслагват, така че може да се наслагва и квантова информация. Един единствен кубит може едновременно да представлява различни състояния между 0 и 1, което позволява паралелна обработка на данни на партиди. В резултат на това изчислителната мощност на квантовите компютри ще се увеличи експоненциално в сравнение с традиционните цифрови компютри. Въпреки това, за да се извършват изчислителни операции, суперпозицията на кубитовете трябва да може да се запази стабилно за определен период от време. В квантовата механика този период на стабилност е известен като кохерентностен живот. Ядрените спинове на сложни молекули могат да постигнат състояния на суперпозиция с дълъг сух живот, защото влиянието на околната среда върху ядрените спинове е ефективно екранирано.
Редкоземните йони и молекулярните кристали са две системи, използвани в квантовата технология. Редкоземните йони имат отлични оптични и спинови свойства, но е трудно да бъдат интегрирани в...оптични устройстваМолекулярните кристали са по-лесни за интегриране, но е трудно да се установи надеждна връзка между спина и светлината, защото емисионните ленти са твърде широки.
Разработените в тази работа молекулярни кристали на редкоземните елементи елегантно съчетават предимствата и на двете, тъй като под въздействието на лазерно възбуждане Eu³+ може да излъчва фотони, носещи информация за ядрения спин. Чрез специфични лазерни експерименти може да се генерира ефективен оптичен/ядрен спинов интерфейс. На тази основа изследователите допълнително реализираха адресиране на нивата на ядрения спин, кохерентно съхранение на фотони и изпълнение на първата квантова операция.
За ефикасни квантови изчисления обикновено са необходими множество заплетени кубити. Изследователите демонстрираха, че Eu³+ в горните молекулярни кристали може да постигне квантово заплитане чрез свързване на разсеяно електрическо поле, като по този начин позволява обработката на квантова информация. Тъй като молекулярните кристали съдържат множество редкоземни йони, могат да се постигнат относително високи плътности на кубитите.
Друго изискване за квантовите изчисления е адресируемостта на отделните кубити. Техниката за оптично адресиране в тази работа може да подобри скоростта на четене и да предотврати смущенията на сигнала от веригата. В сравнение с предишни изследвания, оптичната кохерентност на молекулярните кристали Eu³+, докладвана в тази работа, е подобрена около хиляда пъти, така че състоянията на ядрения спин могат да бъдат оптично манипулирани по специфичен начин.
Оптичните сигнали са подходящи и за разпространение на квантова информация на дълги разстояния, за да се свържат квантови компютри за дистанционна квантова комуникация. Може да се обмисли допълнително интегрирането на нови молекулярни кристали Eu³+ във фотонната структура за подобряване на светлинния сигнал. Тази работа използва молекули от редкоземни елементи като основа за квантов интернет и прави важна стъпка към бъдещи архитектури за квантова комуникация.
Време на публикуване: 02.01.2024 г.