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 dell'informazione quantistica ci condurranno nell'"era quantistica", consentendoci di raggiungere 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 in grado di sfruttare appieno le proprietà quantistiche dell'ottica.
Recentemente, un team di ricerca dell'Istituto di Chimica di Parigi e dell'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe ha dimostrato insieme il potenziale di un cristallo molecolare basato su ioni di europio di terre rare (Eu³ +) per applicazioni in 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, un elemento delle 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 coerenza. Gli spin nucleari delle molecole complesse possono raggiungere stati di sovrapposizione con lunghi tempi di coerenza perché l'influenza dell'ambiente sugli spin nucleari è efficacemente schermata.
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 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 in modo efficace i vantaggi di entrambi i materiali, in quanto, sotto eccitazione laser, Eu³⁺ può emettere fotoni che trasportano informazioni sullo spin nucleare. Attraverso specifici esperimenti laser, è possibile generare un'interfaccia ottico/spin nucleare efficiente. Su questa base, i ricercatori hanno ulteriormente realizzato l'indirizzamento dei livelli di spin nucleare, l'immagazzinamento coerente di fotoni e l'esecuzione della prima operazione quantistica.
Per un calcolo quantistico efficiente, sono generalmente necessari più qubit entangled. I ricercatori hanno dimostrato che gli ioni Eu³⁺ presenti nei cristalli molecolari sopra descritti possono raggiungere l'entanglement quantistico attraverso l'accoppiamento del campo elettrico disperso, 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 descritta in questo lavoro può migliorare la velocità di lettura e prevenire le interferenze del segnale del circuito. Rispetto agli studi precedenti, la coerenza ottica dei cristalli molecolari di Eu³⁺ riportata in questo lavoro è migliorata di circa mille volte, consentendo così la manipolazione ottica specifica degli stati di spin nucleare.
I segnali ottici sono adatti anche alla distribuzione di informazioni quantistiche a lunga distanza per connettere computer quantistici e consentire la comunicazione quantistica remota. Si potrebbe inoltre valutare l'integrazione di nuovi cristalli molecolari di Eu³⁺ nella struttura fotonica per potenziare il segnale luminoso. Questo lavoro utilizza molecole di terre rare come base per Internet quantistico e rappresenta un passo importante verso le future architetture di comunicazione quantistica.
Data di pubblicazione: 2 gennaio 2024