Quantuminformatietechnologie is een nieuwe informatietechnologie gebaseerd op de kwantummechanica, die de fysieke informatie die in een computer is opgeslagen codeert, berekent en verzendt.kwantumsysteemDe ontwikkeling en toepassing van kwantuminformatietechnologie zal ons het ‘kwantumtijdperk’ binnenleiden en een hogere werkefficiëntie, veiligere communicatiemethoden en een comfortabelere en groenere levensstijl realiseren.
De efficiëntie van de communicatie tussen kwantumsystemen hangt af van hun vermogen om met licht te interacteren. Het is echter zeer moeilijk om een materiaal te vinden dat de kwantumeigenschappen van optische systemen volledig kan benutten.
Onlangs heeft een onderzoeksteam van het Instituut voor Chemie in Parijs en het Karlsruhe Institute of Technology samen het potentieel aangetoond van een moleculair kristal gebaseerd op zeldzame-aardeuropiumionen (Eu³+) voor toepassingen in kwantumsystemen van optische aarden. Ze ontdekten dat de ultrasmalle lijnbreedte-emissie van dit Eu³+-moleculaire kristal efficiënte interactie met licht mogelijk maakt en van grote waarde is voorkwantumcommunicatieen quantumcomputing.
Figuur 1: Kwantumcommunicatie gebaseerd op zeldzame-aarde-europium-moleculaire kristallen
Kwantumtoestanden kunnen worden gesuperponeerd, dus kwantuminformatie kan worden gesuperponeerd. Een enkele qubit kan gelijktijdig verschillende toestanden tussen 0 en 1 vertegenwoordigen, waardoor data parallel en in batches kan worden verwerkt. Hierdoor zal de rekenkracht van quantumcomputers exponentieel toenemen ten opzichte van traditionele digitale computers. Om rekenkundige bewerkingen uit te voeren, moet de superpositie van qubits echter 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 met een lange droge levensduur bereiken omdat de invloed van de omgeving op kernspins effectief wordt afgeschermd.
Zeldzame-aarde-ionen en moleculaire kristallen zijn twee systemen die in de kwantumtechnologie worden gebruikt. Zeldzame-aarde-ionen hebben uitstekende optische en spineigenschappen, maar ze zijn moeilijk te integreren.optische apparatenMoleculaire kristallen zijn gemakkelijker te integreren, maar het is moeilijk om een betrouwbare verbinding tot stand te brengen tussen spin en licht omdat de emissiebanden te breed zijn.
De in dit werk ontwikkelde zeldzame-aardekristallen combineren de voordelen van beide: onder laserexcitatie kan Eu³+ fotonen uitzenden die informatie over de kernspin bevatten. Door middel van specifieke laserexperimenten kan een efficiënte optische/kernspininterface worden gegenereerd. Op basis hiervan hebben de onderzoekers verder de kernspinniveau-adressering, coherente opslag van fotonen en de uitvoering van de eerste kwantumbewerking gerealiseerd.
Voor efficiënte quantumcomputing zijn doorgaans meerdere verstrengelde qubits nodig. De onderzoekers toonden aan dat Eu³+ in de bovengenoemde moleculaire kristallen kwantumverstrengeling kan bereiken door middel van strooiveldkoppeling, wat kwantuminformatieverwerking mogelijk maakt. Omdat de moleculaire kristallen meerdere zeldzame-aarde-ionen bevatten, kunnen relatief hoge qubitdichtheden worden bereikt.
Een andere vereiste voor quantum computing is de adresseerbaarheid van individuele qubits. De optische adresseringstechniek in dit werk kan de leessnelheid verbeteren en interferentie van het circuitsignaal voorkomen. Vergeleken met eerdere studies is de optische coherentie van de in dit werk gerapporteerde Eu³+ moleculaire kristallen ongeveer duizend keer verbeterd, waardoor de kernspintoestanden optisch op een specifieke manier kunnen worden gemanipuleerd.
Optische signalen zijn ook geschikt voor de distributie van kwantuminformatie over lange afstanden, om kwantumcomputers aan te sluiten op kwantumcommunicatie op afstand. Verdere aandacht zou kunnen worden besteed aan de integratie van nieuwe Eu³+ moleculaire kristallen in de fotonische structuur om het lichtsignaal te versterken. Dit werk gebruikt zeldzame aardmoleculen als basis voor kwantuminternet en zet een belangrijke stap in de richting van toekomstige kwantumcommunicatiearchitecturen.
Plaatsingstijd: 02-01-2024