La tecnologia dell'informazione quantistica è una nuova tecnologia dell'informazione basata sulla meccanica quantistica, che codifica, calcola e trasmette le informazioni fisiche contenute insistema quantistico. Lo sviluppo e l’applicazione della tecnologia dell’informazione quantistica ci porterà nell’“era quantistica” e realizzerà una maggiore efficienza lavorativa, metodi di comunicazione più sicuri e uno stile di vita più conveniente ed ecologico.
L'efficienza della comunicazione tra i sistemi quantistici dipende dalla loro capacità di interagire con la luce. Tuttavia, è molto difficile trovare un materiale che possa sfruttare appieno le proprietà quantistiche dell’ottica.
Recentemente, un gruppo di ricerca presso l'Istituto di Chimica di Parigi e l'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe hanno dimostrato insieme il potenziale di un cristallo molecolare basato su ioni europio di terre rare (Eu³ +) per applicazioni in sistemi quantistici di ottica. Hanno scoperto che l’emissione di larghezza di linea ultrastretta di questo cristallo molecolare Eu³+ consente un’interazione efficiente con la luce e ha un valore importante incomunicazione quantisticae l'informatica quantistica.
Figura 1: Comunicazione quantistica basata su cristalli molecolari di europio di terre rare
Gli stati quantistici possono essere sovrapposti, quindi le informazioni quantistiche possono essere sovrapposte. Un singolo qubit può rappresentare simultaneamente una varietà di stati diversi tra 0 e 1, consentendo l'elaborazione dei dati in parallelo in batch. Di conseguenza, la potenza di calcolo dei computer quantistici aumenterà in modo esponenziale rispetto ai tradizionali computer digitali. Tuttavia, per poter eseguire operazioni computazionali, la sovrapposizione di qubit deve poter persistere stabilmente per un periodo di tempo. Nella meccanica quantistica, questo periodo di stabilità è noto come vita di coerenza. Gli spin nucleari di molecole complesse possono raggiungere stati di sovrapposizione con lunghi tempi di vita secchi perché l'influenza dell'ambiente sugli spin nucleari è efficacemente protetta.
Gli ioni delle terre rare e i cristalli molecolari sono due sistemi che sono stati utilizzati nella tecnologia quantistica. Gli ioni delle terre rare hanno eccellenti proprietà ottiche e di spin, ma sono difficili da integraredispositivi ottici. I cristalli molecolari sono più facili da integrare, ma è difficile stabilire una connessione affidabile tra spin e luce perché le bande di emissione sono troppo ampie.
I cristalli molecolari delle terre rare sviluppati in questo lavoro combinano perfettamente i vantaggi di entrambi in quanto, sotto eccitazione laser, Eu³+ può emettere fotoni che trasportano informazioni sullo spin nucleare. Attraverso specifici esperimenti laser è possibile generare un'efficiente interfaccia di spin ottico/nucleare. Su questa base, i ricercatori hanno inoltre realizzato l'indirizzamento del livello di spin nucleare, l'immagazzinamento coerente di fotoni e l'esecuzione della prima operazione quantistica.
Per un calcolo quantistico efficiente, di solito sono necessari più qubit entangled. I ricercatori hanno dimostrato che l’Eu³+ nei cristalli molecolari di cui sopra può raggiungere l’entanglement quantistico attraverso l’accoppiamento del campo elettrico vagante, consentendo così l’elaborazione delle informazioni quantistiche. Poiché i cristalli molecolari contengono più ioni di terre rare, è possibile ottenere densità di qubit relativamente elevate.
Un altro requisito per l’informatica quantistica è l’indirizzabilità dei singoli qubit. La tecnica di indirizzamento ottico utilizzata in questo lavoro può migliorare la velocità di lettura e prevenire l'interferenza del segnale del circuito. Rispetto agli studi precedenti, la coerenza ottica dei cristalli molecolari Eu³+ riportati in questo lavoro è migliorata di circa mille volte, così che gli stati di spin nucleare possono essere manipolati otticamente in un modo specifico.
I segnali ottici sono adatti anche per la distribuzione di informazioni quantistiche a lunga distanza per connettere computer quantistici per la comunicazione quantistica remota. Ulteriore considerazione potrebbe essere data all'integrazione di nuovi cristalli molecolari Eu³+ nella struttura fotonica per potenziare il segnale luminoso. Questo lavoro utilizza molecole di terre rare come base per l’Internet quantistica e compie un passo importante verso le future architetture di comunicazione quantistica.
Orario di pubblicazione: 02 gennaio 2024