Kwantuminformatietechnologie is een nieuwe informatietechnologie gebaseerd op de kwantummechanica, die de fysieke informatie in computers codeert, berekent en verzendt.kwantum systeem.De ontwikkeling en toepassing van kwantuminformatietechnologie zal ons naar het ‘kwantumtijdperk’ brengen en een hogere werkefficiëntie, veiligere communicatiemethoden en een gemakkelijkere en groene levensstijl realiseren.
De efficiëntie van de communicatie tussen kwantumsystemen hangt af van hun vermogen om met licht te communiceren.Het is echter erg moeilijk om een materiaal te vinden dat volledig kan profiteren van de kwantumeigenschappen van optisch.
Onlangs heeft een onderzoeksteam van het Institute of Chemistry in Parijs en het Karlsruhe Institute of Technology samen het potentieel aangetoond van een moleculair kristal op basis van zeldzame aarde-europiumionen (Eu³ +) voor toepassingen in optische kwantumsystemen.Ze ontdekten dat de ultra-smalle lijnbreedte-emissie van dit Eu³ + moleculaire kristal een efficiënte interactie met licht mogelijk maakt en een belangrijke waarde heeft inkwantumcommunicatieen kwantumcomputers.
Figuur 1: Kwantumcommunicatie op basis van zeldzame aardmetalen europium-moleculaire kristallen
Kwantumtoestanden kunnen over elkaar heen worden gelegd, dus kwantuminformatie kan over elkaar heen worden gelegd.Eén enkele qubit kan tegelijkertijd verschillende toestanden tussen 0 en 1 vertegenwoordigen, waardoor gegevens in batches parallel kunnen worden verwerkt.Als gevolg hiervan zal de rekenkracht van quantumcomputers exponentieel toenemen vergeleken met traditionele digitale computers.Om computationele bewerkingen uit te kunnen voeren, moet de superpositie van qubits echter gedurende een bepaalde periode gestaag kunnen blijven bestaan.In de kwantummechanica staat deze periode van stabiliteit bekend als de coherentielevensduur.De kernspins van complexe moleculen kunnen superpositietoestanden bereiken met een lange droge levensduur, omdat de invloed van de omgeving op kernspins effectief wordt afgeschermd.
Zeldzame aardionen en moleculaire kristallen zijn twee systemen die in de kwantumtechnologie zijn gebruikt.Zeldzame aardionen hebben uitstekende optische en spin-eigenschappen, maar zijn moeilijk te integrerenoptische apparaten.Moleculaire kristallen zijn gemakkelijker te integreren, maar het is moeilijk om een betrouwbaar verband tussen spin en licht tot stand te brengen omdat de emissiebanden te breed zijn.
De zeldzame aardmoleculaire kristallen die in dit werk zijn ontwikkeld, combineren mooi de voordelen van beide, doordat Eu³ + onder laserexcitatie fotonen kan uitzenden die informatie over kernspin bevatten.Door middel van specifieke laserexperimenten kan een efficiënt optisch/nucleair spin-interface worden gegenereerd.Op basis hiervan realiseerden de onderzoekers verder de adressering van het nucleaire spinniveau, de 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 van elektrische strooivelden, waardoor de verwerking van kwantuminformatie mogelijk wordt.Omdat de moleculaire kristallen meerdere zeldzame aardionen 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 duizendvoudig verbeterd, zodat de nucleaire spintoestanden op een specifieke manier optisch kunnen worden gemanipuleerd.
Optische signalen zijn ook geschikt voor kwantuminformatiedistributie over lange afstanden om kwantumcomputers te verbinden voor 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 verbeteren.Dit werk maakt gebruik van zeldzame aardmoleculen als basis voor het kwantuminternet en zet een belangrijke stap in de richting van toekomstige kwantumcommunicatiearchitecturen.
Posttijd: 02-jan-2024