Kwantuminformatietechnologie is een nieuwe informatietechnologie gebaseerd op de kwantummechanica, die de fysieke informatie in kwantumgetallen codeert, berekent en verzendt.kwantumsysteemDe ontwikkeling en toepassing van kwantuminformatietechnologie zal ons het 'kwantumtijdperk' binnenleiden en zorgen voor een hogere arbeidsefficiëntie, veiligere communicatiemethoden en een comfortabelere en milieuvriendelijkere levensstijl.
De efficiëntie van de communicatie tussen kwantumsystemen hangt af van hun vermogen om met licht te interageren. Het is echter zeer moeilijk om een materiaal te vinden dat de kwantummechanische eigenschappen van optische materialen volledig kan benutten.
Onlangs heeft een onderzoeksteam van het Instituut voor Chemie in Parijs en het Technisch Instituut Karlsruhe gezamenlijk het potentieel aangetoond van een moleculair kristal op basis van zeldzame-aarde-europiumionen (Eu³⁺) voor toepassingen in optische kwantumsystemen. Ze ontdekten dat de ultrasmalle emissielijnbreedte van dit Eu³⁺-moleculaire kristal een efficiënte interactie met licht mogelijk maakt en van grote waarde is in optische kwantumsystemen.kwantumcommunicatieen kwantumcomputing.
Figuur 1: Kwantumcommunicatie gebaseerd op moleculaire kristallen van het zeldzame-aardemetaal europium.
Kwantumtoestanden kunnen worden gesuperponeerd, waardoor kwantuminformatie ook kan worden gesuperponeerd. Een enkele qubit kan tegelijkertijd verschillende toestanden tussen 0 en 1 representeren, waardoor gegevens parallel in batches kunnen worden verwerkt. Hierdoor zal de rekenkracht van kwantumcomputers exponentieel toenemen in vergelijking met traditionele digitale computers. Om berekeningen uit te voeren, moet de superpositie van qubits echter gedurende een bepaalde tijd stabiel kunnen blijven. In de kwantummechanica staat deze periode van stabiliteit bekend als de coherentielevensduur. De kernspins van complexe moleculen kunnen superpositietoestanden bereiken met een lange coherentielevensduur, omdat de invloed van de omgeving op de kernspins effectief wordt afgeschermd.
Zeldzame-aardionen en moleculaire kristallen zijn twee systemen die in de kwantumtechnologie worden gebruikt. Zeldzame-aardionen hebben uitstekende optische en spineigenschappen, maar ze zijn moeilijk te integreren inoptische apparatenMoleculaire kristallen zijn gemakkelijker te integreren, maar het is moeilijk om een betrouwbare verbinding tussen spin en licht tot stand te brengen omdat de emissiebanden te breed zijn.
De in dit onderzoek ontwikkelde moleculaire kristallen van zeldzame aardmetalen combineren op elegante wijze de voordelen van beide: onder laserstimulatie kan Eu³⁺ fotonen uitzenden die informatie over de kernspin bevatten. Door middel van specifieke laserexperimenten kan een efficiënte optische/kernspin-interface worden gegenereerd. Op basis hiervan realiseerden de onderzoekers vervolgens kernspin-niveau-adressering, coherente opslag van fotonen en de uitvoering van de eerste kwantumoperatie.
Voor efficiënte kwantumcomputing zijn doorgaans meerdere verstrengelde qubits nodig. De onderzoekers hebben aangetoond dat Eu³⁺ in de bovengenoemde moleculaire kristallen kwantumverstrengeling kan bereiken door koppeling via strooivelden, waardoor kwantuminformatieverwerking mogelijk wordt. Omdat de moleculaire kristallen meerdere zeldzame-aardionen bevatten, kunnen relatief hoge qubitdichtheden worden bereikt.
Een andere vereiste voor kwantumcomputing is de adresseerbaarheid van individuele qubits. De optische adresseertechniek in dit werk kan de leessnelheid verbeteren en interferentie van het circuitsignaal voorkomen. Vergeleken met eerdere studies is de optische coherentie van Eu³⁺-moleculaire kristallen in dit werk ongeveer duizendvoudig verbeterd, waardoor de kernspintoestanden op een specifieke manier optisch gemanipuleerd kunnen worden.
Optische signalen zijn ook geschikt voor de verspreiding van kwantuminformatie over lange afstanden, bijvoorbeeld om kwantumcomputers te verbinden voor kwantumcommunicatie op afstand. Verder onderzoek zou kunnen worden gedaan naar de integratie van nieuwe Eu³⁺-moleculaire kristallen in de fotonische structuur om het lichtsignaal te versterken. Dit werk gebruikt zeldzame-aardemoleculen als basis voor het kwantuminternet en zet een belangrijke stap richting toekomstige kwantumcommunicatiearchitecturen.
Geplaatst op: 2 januari 2024