Die Quanteninformationstechnologie ist eine neue Informationstechnologie, die auf der Quantenmechanik basiert und die inQuantensystem. 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. Es ist jedoch sehr schwierig, ein Material zu finden, das die Quanteneigenschaften optischer Systeme voll ausnutzen kann.
Kürzlich demonstrierte ein Forscherteam des Instituts für Chemie in Paris und des Karlsruher Instituts für Technologie gemeinsam das Potenzial eines Molekülkristalls auf Basis von Europiumionen der Seltenen Erden (Eu³ +) für Anwendungen in Quantensystemen optischer Systeme. Sie fanden heraus, dass die ultraschmale Linienbreite dieses Eu³ + -Molekülkristalls eine effiziente Wechselwirkung mit Licht ermöglicht und einen wichtigen Wert hat inQuantenkommunikationund Quantencomputing.
Abbildung 1: Quantenkommunikation basierend auf Molekülkristallen des Seltenen Erden-Europiums
Quantenzustände lassen sich überlagern, und damit auch Quanteninformationen. Ein einzelnes Qubit kann gleichzeitig verschiedene Zustände zwischen 0 und 1 darstellen, wodurch Daten stapelweise parallel verarbeitet werden können. Dadurch wird die Rechenleistung von Quantencomputern im Vergleich zu herkömmlichen Digitalrechnern exponentiell steigen. Um Rechenoperationen durchführen zu können, muss die Überlagerung der Qubits jedoch über einen bestimmten Zeitraum stabil bestehen bleiben. In der Quantenmechanik wird diese Stabilitätsdauer als Kohärenzlebensdauer bezeichnet. Die Kernspins komplexer Moleküle können Superpositionszustände mit langer Trockenlebensdauer erreichen, da sie den Einfluss der Umgebung auf die Kernspins effektiv abschirmen.
Seltenerdionen und Molekülkristalle sind zwei Systeme, die in der Quantentechnologie verwendet werden. Seltenerdionen haben hervorragende optische und Spin-Eigenschaften, sind aber schwierig zu integrieren inoptische Geräte. Molekulare Kristalle lassen sich zwar leichter integrieren, allerdings ist es schwierig, eine zuverlässige Verbindung zwischen Spin und Licht herzustellen, da die Emissionsbänder zu breit sind.
Die in dieser Arbeit entwickelten Seltenerd-Molekülkristalle vereinen die Vorteile beider Materialien: Eu³+ kann unter Laseranregung Photonen emittieren, die Informationen über den Kernspin enthalten. Durch gezielte Laserexperimente lässt sich eine effiziente optische/Kernspin-Schnittstelle erzeugen. Auf dieser Grundlage gelang es den Forschern, die Kernspinniveau-Adressierung, die kohärente Speicherung von Photonen und die Durchführung der ersten Quantenoperation zu realisieren.
Für effizientes Quantencomputing sind üblicherweise mehrere verschränkte Qubits erforderlich. Die Forscher zeigten, dass Eu³+ in den oben genannten Molekülkristallen durch Streufeldkopplung Quantenverschränkung erreichen und so die Quanteninformationsverarbeitung ermöglichen kann. Da die Molekülkristalle mehrere Seltenerdionen enthalten, können relativ hohe Qubit-Dichten erreicht werden.
Eine weitere Voraussetzung für Quantencomputer ist die Adressierbarkeit einzelner Qubits. Die hier beschriebene optische Adressierungstechnik kann die Lesegeschwindigkeit verbessern und Störungen des Schaltungssignals verhindern. Im Vergleich zu früheren Studien ist die optische Kohärenz der hier beschriebenen Eu³+-Molekülkristalle etwa tausendfach verbessert, sodass die Kernspinzustände gezielt optisch manipuliert werden können.
Optische Signale eignen sich auch für die Fernübertragung von Quanteninformationen, um Quantencomputer für die Quantenfernkommunikation zu verbinden. Die Integration neuer Eu³+-Molekülkristalle in die photonische Struktur zur Verstärkung des Lichtsignals könnte ebenfalls in Betracht gezogen werden. Diese Arbeit nutzt Seltenerdmoleküle als Grundlage für das Quanteninternet und stellt einen wichtigen Schritt in Richtung zukünftiger Quantenkommunikationsarchitekturen dar.
Beitragszeit: 02.01.2024