Quanteninformationstechnologie ist eine neue Informationstechnologie, die auf der Quantenmechanik basiert und die darin enthaltenen physikalischen Informationen kodiert, berechnet und überträgtQuantensystem. Die Entwicklung und Anwendung der Quanteninformationstechnologie wird uns in das „Quantenzeitalter“ führen und eine höhere Arbeitseffizienz, sicherere Kommunikationsmethoden und einen bequemeren und umweltfreundlicheren Lebensstil ermöglichen.
Die Effizienz der Kommunikation zwischen Quantensystemen hängt von ihrer Fähigkeit ab, mit Licht zu interagieren. Allerdings ist es sehr schwierig, ein Material zu finden, das die Quanteneigenschaften der Optik voll ausnutzen kann.
Kürzlich hat ein Forschungsteam am Institut für Chemie in Paris und am Karlsruher Institut für Technologie gemeinsam das Potenzial eines Molekülkristalls auf Basis von Europiumionen seltener Erden (Eu³+) für Anwendungen in Quantensystemen der Optik nachgewiesen. Sie fanden heraus, dass die Emission dieses Eu³ + -Molekülkristalls mit ultraschmaler Linienbreite eine effiziente Wechselwirkung mit Licht ermöglicht und einen wichtigen Wert hatQuantenkommunikationund Quantencomputing.
Abbildung 1: Quantenkommunikation basierend auf Seltenerd-Europium-Molekülkristallen
Quantenzustände können überlagert werden, sodass Quanteninformationen überlagert werden können. Ein einzelnes Qubit kann gleichzeitig verschiedene Zustände zwischen 0 und 1 darstellen, sodass Daten stapelweise parallel verarbeitet werden können. Dadurch wird die Rechenleistung von Quantencomputern im Vergleich zu herkömmlichen digitalen Computern exponentiell steigen. Um Rechenoperationen durchführen zu können, muss die Überlagerung der Qubits jedoch über einen bestimmten Zeitraum hinweg stabil aufrechterhalten werden können. In der Quantenmechanik wird dieser Stabilitätszeitraum als Kohärenzlebensdauer bezeichnet. Die Kernspins komplexer Moleküle können Überlagerungszustände mit langen Trockenlebenszeiten erreichen, da der Einfluss der Umgebung auf die Kernspins wirksam abgeschirmt wird.
Seltenerdionen und Molekülkristalle sind zwei Systeme, die in der Quantentechnologie eingesetzt werden. Seltenerdionen haben hervorragende optische und Spineigenschaften, lassen sich jedoch nur schwer integrierenoptische Geräte. Molekülkristalle lassen sich leichter integrieren, allerdings ist es aufgrund der zu breiten Emissionsbanden schwierig, einen zuverlässigen Zusammenhang zwischen Spin und Licht herzustellen.
Die in dieser Arbeit entwickelten Seltenerd-Molekülkristalle vereinen auf elegante Weise die Vorteile beider, da Eu³ + unter Laseranregung Photonen emittieren kann, die Informationen über den Kernspin tragen. Durch gezielte Laserexperimente kann eine effiziente optische/nukleare Spin-Grenzfläche erzeugt werden. Auf dieser Grundlage realisierten die Forscher außerdem die Adressierung des Kernspinniveaus, die kohärente Speicherung von Photonen und die Ausführung der ersten Quantenoperation.
Für effizientes Quantencomputing sind in der Regel mehrere verschränkte Qubits erforderlich. Die Forscher zeigten, dass Eu³ + in den oben genannten Molekülkristallen durch elektrische Streufeldkopplung eine Quantenverschränkung erreichen und so die Verarbeitung von Quanteninformationen ermöglichen kann. Da die Molekülkristalle mehrere Seltenerdionen enthalten, können relativ hohe Qubitdichten erreicht werden.
Eine weitere Voraussetzung für Quantencomputing ist die Adressierbarkeit einzelner Qubits. Die optische Adressierungstechnik in dieser Arbeit kann die Lesegeschwindigkeit verbessern und Störungen des Schaltungssignals verhindern. Im Vergleich zu früheren Studien ist die in dieser Arbeit beschriebene optische Kohärenz der Eu³ + -Molekülkristalle um etwa das Tausendfache verbessert, sodass die Kernspinzustände auf spezifische Weise optisch manipuliert werden können.
Optische Signale eignen sich auch für die Verteilung von Quanteninformationen über große Entfernungen, um Quantencomputer für die Quantenfernkommunikation zu verbinden. Weitere Überlegungen könnten über die Integration neuer Eu³ + -Molekülkristalle in die photonische Struktur angestellt werden, um das Lichtsignal zu verstärken. Diese Arbeit nutzt Seltenerdmoleküle als Grundlage für das Quanteninternet und macht einen wichtigen Schritt in Richtung zukünftiger Quantenkommunikationsarchitekturen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.01.2024