ارتباطات کوانتومی: مولکول ها، خاک های کمیاب و نوری

فناوری اطلاعات کوانتومی یک فناوری اطلاعات جدید مبتنی بر مکانیک کوانتومی است که اطلاعات فیزیکی موجود در آن را رمزگذاری، محاسبه و انتقال می دهد.سیستم کوانتومی. توسعه و بکارگیری فناوری اطلاعات کوانتومی ما را به «عصر کوانتومی» می‌رساند و بازده کاری بالاتر، روش‌های ارتباطی امن‌تر و سبک زندگی راحت‌تر و سبزتر را درک می‌کند.

کارایی ارتباط بین سیستم های کوانتومی به توانایی آنها در تعامل با نور بستگی دارد. با این حال، یافتن ماده ای که بتواند از خواص کوانتومی نوری به طور کامل استفاده کند، بسیار دشوار است.

اخیراً یک تیم تحقیقاتی در مؤسسه شیمی در پاریس و مؤسسه فناوری کارلسروهه با هم پتانسیل یک کریستال مولکولی مبتنی بر یون‌های یوروپیوم خاکی کمیاب (Eu³ +) را برای کاربرد در سیستم‌های کوانتومی نوری نشان دادند. آنها دریافتند که گسیل با عرض خط فوق العاده باریک این کریستال مولکولی Eu³ + تعامل موثر با نور را ممکن می کند و ارزش مهمی درارتباط کوانتومیو محاسبات کوانتومی

شکل 1: ارتباط کوانتومی بر اساس کریستال های مولکولی اروپیوم خاکی کمیاب

حالات کوانتومی را می توان روی هم قرار داد، بنابراین اطلاعات کوانتومی را می توان روی هم قرار داد. یک کیوبیت منفرد می تواند به طور همزمان انواع مختلفی از حالت های مختلف را بین 0 و 1 نشان دهد و به داده ها اجازه می دهد تا به صورت موازی در دسته ها پردازش شوند. در نتیجه، قدرت محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با کامپیوترهای دیجیتال سنتی به طور تصاعدی افزایش خواهد یافت. با این حال، برای انجام عملیات محاسباتی، برهم نهی کیوبیت ها باید بتواند به طور پیوسته برای یک دوره زمانی باقی بماند. در مکانیک کوانتومی، این دوره از ثبات به عنوان طول عمر انسجام شناخته می شود. اسپین‌های هسته‌ای مولکول‌های پیچیده می‌توانند به حالت‌های برهم نهی با طول عمر خشک طولانی دست یابند، زیرا تأثیر محیط بر اسپین‌های هسته‌ای به طور موثر محافظت می‌شود.

یون های خاکی کمیاب و کریستال های مولکولی دو سیستمی هستند که در فناوری کوانتومی مورد استفاده قرار گرفته اند. یون‌های خاکی کمیاب دارای خواص نوری و اسپینی عالی هستند، اما ادغام آنها در آنها دشوار استدستگاه های نوری. ادغام بلورهای مولکولی آسان تر است، اما ایجاد یک ارتباط قابل اعتماد بین اسپین و نور دشوار است، زیرا نوارهای گسیل بسیار گسترده هستند.

کریستال‌های مولکولی خاکی کمیاب که در این کار توسعه یافته‌اند، مزایای هر دو را به خوبی ترکیب می‌کنند، زیرا Eu³ + می‌تواند فوتون‌هایی را منتشر کند که اطلاعاتی درباره اسپین هسته‌ای دارند. از طریق آزمایش‌های لیزری خاص، می‌توان یک رابط اسپین نوری/هسته‌ای کارآمد ایجاد کرد. بر این اساس، محققان بیشتر متوجه آدرس دهی سطح اسپین هسته ای، ذخیره سازی منسجم فوتون ها و اجرای اولین عملیات کوانتومی شدند.

برای محاسبات کوانتومی کارآمد، معمولاً به چندین کیوبیت درهم تنیده نیاز است. محققان نشان دادند که Eu³ + در بلورهای مولکولی فوق می تواند از طریق جفت شدن میدان الکتریکی سرگردان به درهم تنیدگی کوانتومی دست یابد، بنابراین پردازش اطلاعات کوانتومی را ممکن می سازد. از آنجایی که کریستال های مولکولی حاوی چندین یون خاکی کمیاب هستند، می توان به چگالی کیوبیت نسبتاً بالایی دست یافت.

یکی دیگر از نیازهای محاسبات کوانتومی آدرس پذیری کیوبیت های جداگانه است. تکنیک آدرس دهی نوری در این کار می تواند سرعت خواندن را بهبود بخشد و از تداخل سیگنال مدار جلوگیری کند. در مقایسه با مطالعات قبلی، انسجام نوری بلورهای مولکولی Eu³ + گزارش شده در این کار حدود هزار برابر بهبود یافته است، به طوری که حالت‌های اسپین هسته‌ای را می‌توان به روشی خاص دستکاری نوری کرد.

سیگنال های نوری همچنین برای توزیع اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی برای اتصال کامپیوترهای کوانتومی برای ارتباطات کوانتومی از راه دور مناسب هستند. توجه بیشتر را می توان به ادغام بلورهای مولکولی Eu³ + در ساختار فوتونیک برای افزایش سیگنال نورانی کرد. این کار از مولکول‌های خاکی کمیاب به‌عنوان پایه‌ای برای اینترنت کوانتومی استفاده می‌کند و گام مهمی به سوی معماری‌های ارتباطی کوانتومی آینده برمی‌دارد.