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 quantisticoLo sviluppo e l'applicazione della tecnologia informatica quantistica ci condurranno nell'"era quantistica" e realizzeranno una maggiore efficienza lavorativa, metodi di comunicazione più sicuri e uno stile di vita più comodo ed ecologico.
L'efficienza della comunicazione tra 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 team di ricerca dell'Istituto di Chimica di Parigi e del Karlsruhe Institute of Technology ha dimostrato congiuntamente il potenziale di un cristallo molecolare basato sugli ioni di europio delle terre rare (Eu³+) per applicazioni nei sistemi ottici quantistici. Hanno scoperto che l'emissione a larghezza di riga ultra-stretta 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 anche le informazioni quantistiche possono essere sovrapposte. Un singolo qubit può rappresentare simultaneamente una varietà di stati diversi tra 0 e 1, consentendo l'elaborazione parallela dei dati in batch. Di conseguenza, la potenza di calcolo dei computer quantistici aumenterà esponenzialmente rispetto ai computer digitali tradizionali. Tuttavia, per eseguire operazioni computazionali, la sovrapposizione dei qubit deve essere in grado di persistere stabilmente per un certo periodo di tempo. In meccanica quantistica, questo periodo di stabilità è noto come tempo di vita della coerenza. Gli spin nucleari di molecole complesse possono raggiungere stati di sovrapposizione con lunghi tempi di vita a secco perché l'influenza dell'ambiente sugli spin nucleari è efficacemente schermata.
Gli ioni di terre rare e i cristalli molecolari sono due sistemi utilizzati nella tecnologia quantistica. Gli ioni di terre rare hanno eccellenti proprietà ottiche e di spin, ma sono difficili da integrare indispositivi otticiI 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 di terre rare sviluppati in questo lavoro combinano perfettamente i vantaggi di entrambi i tipi di particelle: sotto eccitazione laser, Eu³+ può emettere fotoni che trasportano informazioni sullo spin nucleare. Attraverso specifici esperimenti laser, è possibile generare un'interfaccia efficiente tra spin ottico e spin nucleare. Su questa base, i ricercatori hanno ulteriormente sviluppato l'indirizzamento a livello di spin nucleare, l'immagazzinamento coerente dei fotoni e l'esecuzione della prima operazione quantistica.
Per un calcolo quantistico efficiente, sono solitamente necessari più qubit entangled. I ricercatori hanno dimostrato che Eu³+ nei cristalli molecolari sopra menzionati può raggiungere l'entanglement quantistico attraverso l'accoppiamento di campi elettrici dispersi, consentendo così l'elaborazione di informazioni quantistiche. Poiché i cristalli molecolari contengono più ioni di terre rare, è possibile raggiungere densità di qubit relativamente elevate.
Un altro requisito per il calcolo quantistico 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 a studi precedenti, la coerenza ottica dei cristalli molecolari di Eu³+ riportata in questo lavoro è migliorata di circa mille volte, consentendo la manipolazione ottica specifica degli stati di spin nucleare.
I segnali ottici sono adatti anche per la distribuzione di informazioni quantistiche a lunga distanza, consentendo di collegare computer quantistici per comunicazioni quantistiche a distanza. Si potrebbe inoltre valutare l'integrazione di nuovi cristalli molecolari di Eu³+ nella struttura fotonica per potenziare il segnale luminoso. Questo lavoro utilizza le molecole di terre rare come base per l'Internet quantistica e rappresenta un passo importante verso le future architetture di comunicazione quantistica.
Data di pubblicazione: 02-01-2024