Komunikasyon ng kuwantum: mga molekula, bihirang lupa at optikal

Ang teknolohiyang impormasyong quantum ay isang bagong teknolohiyang impormasyon na nakabatay sa mekanika ng quantum, na nagko-code, nagkukwenta, at nagpapadala ng pisikal na impormasyong nakapaloob sasistemang kwantumAng pag-unlad at aplikasyon ng teknolohiya ng impormasyong quantum ay magdadala sa atin sa "panahon ng quantum", at makakamit ang mas mataas na kahusayan sa trabaho, mas ligtas na mga pamamaraan ng komunikasyon at mas maginhawa at luntiang pamumuhay.

Ang kahusayan ng komunikasyon sa pagitan ng mga sistemang quantum ay nakasalalay sa kanilang kakayahang makipag-ugnayan sa liwanag. Gayunpaman, napakahirap makahanap ng materyal na maaaring lubos na makinabang sa mga katangiang quantum ng optika.

Kamakailan lamang, isang pangkat ng pananaliksik sa Institute of Chemistry sa Paris at sa Karlsruhe Institute of Technology ang magkasamang nagpakita ng potensyal ng isang molekular na kristal batay sa mga rare earth europium ions (Eu³+) para sa mga aplikasyon sa mga quantum system ng optical. Natuklasan nila na ang ultra-narrow linewidth emission ng Eu³+ molecular crystal na ito ay nagbibigay-daan sa mahusay na interaksyon sa liwanag at may mahalagang halaga sa...komunikasyong kwantumat kwantum na pagtutuos.

Pigura 1: Komunikasyong quantum batay sa mga kristal na molekular ng rare earth europium

Maaaring ipatong ang mga quantum states, kaya maaaring ipatong ang quantum information. Ang isang qubit ay maaaring sabay-sabay na kumatawan sa iba't ibang estado sa pagitan ng 0 at 1, na nagpapahintulot sa data na maproseso nang sabay-sabay sa mga batch. Bilang resulta, ang computing power ng mga quantum computer ay tataas nang exponentially kumpara sa mga tradisyonal na digital computer. Gayunpaman, upang maisagawa ang mga operasyon sa computational, ang superposition ng mga qubit ay dapat na manatili nang matatag sa loob ng isang yugto ng panahon. Sa quantum mechanics, ang panahong ito ng katatagan ay kilala bilang coherence lifetime. Ang mga nuclear spin ng mga kumplikadong molekula ay maaaring makamit ang mga superposition states na may mahahabang dry lifetimes dahil ang impluwensya ng kapaligiran sa mga nuclear spin ay epektibong napoprotektahan.

Ang mga rare earth ion at molecular crystal ay dalawang sistemang ginamit sa teknolohiyang quantum. Ang mga rare earth ion ay may mahusay na optical at spin properties, ngunit mahirap itong isama sa...mga aparatong optikalMas madaling i-integrate ang mga molekular na kristal, ngunit mahirap magtatag ng maaasahang koneksyon sa pagitan ng spin at liwanag dahil masyadong malapad ang mga emission band.

Ang mga kristal na molekular na bihirang lupa na binuo sa gawaing ito ay maayos na pinagsasama ang mga bentahe ng pareho sa bagay na, sa ilalim ng laser excitation, ang Eu³+ ay maaaring maglabas ng mga photon na nagdadala ng impormasyon tungkol sa nuclear spin. Sa pamamagitan ng mga partikular na eksperimento sa laser, maaaring mabuo ang isang mahusay na optical/nuclear spin interface. Batay dito, higit pang natanto ng mga mananaliksik ang nuclear spin level addressing, ang magkakaugnay na imbakan ng mga photon, at ang pagpapatupad ng unang quantum operation.

Para sa mahusay na quantum computing, karaniwang kinakailangan ang maraming magkakaugnay na qubit. Ipinakita ng mga mananaliksik na ang Eu³+ sa mga nabanggit na molekular na kristal ay maaaring makamit ang quantum entanglement sa pamamagitan ng stray electric field coupling, kaya't pinapagana ang pagproseso ng impormasyon sa quantum. Dahil ang mga molekular na kristal ay naglalaman ng maraming rare earth ions, maaaring makamit ang medyo mataas na qubit densities.

Ang isa pang kinakailangan para sa quantum computing ay ang addressability ng mga indibidwal na qubit. Ang optical addressing technique sa gawaing ito ay maaaring mapabuti ang bilis ng pagbasa at maiwasan ang interference ng circuit signal. Kung ikukumpara sa mga nakaraang pag-aaral, ang optical coherence ng Eu³+ molecular crystals na iniulat sa gawaing ito ay napabuti nang halos isang libong beses, kaya ang mga nuclear spin states ay maaaring manipulahin nang optically sa isang partikular na paraan.

Ang mga optical signal ay angkop din para sa long-distance quantum information distribution upang ikonekta ang mga quantum computer para sa remote quantum communication. Maaaring ibigay ang karagdagang pagsasaalang-alang sa pagsasama ng mga bagong Eu³+ molecular crystals sa photonic structure upang mapahusay ang luminous signal. Ang gawaing ito ay gumagamit ng mga rare earth molecule bilang batayan para sa quantum Internet, at gumagawa ng isang mahalagang hakbang tungo sa mga arkitektura ng quantum communication sa hinaharap.