Quanteninformationstechnologie ist eine neue Informationstechnologie, die auf der Quantenmechanik basiert und die in Daten enthaltenen physikalischen Informationen kodiert, berechnet und überträgt.QuantensystemDie Entwicklung und Anwendung der Quanteninformationstechnologie wird uns ins „Quantenzeitalter“ führen und eine höhere Arbeitseffizienz, sicherere Kommunikationsmethoden sowie einen komfortableren 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 der Optik voll ausnutzen kann.
Kürzlich demonstrierte ein Forschungsteam des Instituts für Chemie in Paris und des Karlsruher Instituts für Technologie gemeinsam das Potenzial eines Molekülkristalls auf Basis von Seltenerd-Europiumionen (Eu³⁺) für Anwendungen in optischen Quantensystemen. Sie fanden heraus, dass die extrem schmale Emissionslinienbreite dieses Eu³⁺-Molekülkristalls eine effiziente Wechselwirkung mit Licht ermöglicht und daher von großer Bedeutung ist.Quantenkommunikationund Quantencomputing.
Abbildung 1: Quantenkommunikation auf Basis von Seltenerd-Europium-Molekülkristallen
Quantenzustände lassen sich überlagern, und somit auch Quanteninformationen. Ein einzelnes Qubit kann gleichzeitig verschiedene Zustände zwischen 0 und 1 repräsentieren, wodurch Daten parallel in Blöcken verarbeitet werden können. Dadurch steigt die Rechenleistung von Quantencomputern im Vergleich zu herkömmlichen Digitalrechnern exponentiell an. Um jedoch Rechenoperationen durchführen zu können, muss die Überlagerung der Qubits über einen bestimmten Zeitraum stabil bleiben. In der Quantenmechanik wird dieser Stabilitätszeitraum als Kohärenzlebensdauer bezeichnet. Die Kernspins komplexer Moleküle können Überlagerungszustände mit langer Kohärenzlebensdauer erreichen, da der Einfluss der Umgebung auf die Kernspins effektiv abgeschirmt wird.
Seltenerdionen und Molekülkristalle sind zwei Systeme, die in der Quantentechnologie Anwendung finden. Seltenerdionen besitzen hervorragende optische und Spineigenschaften, sind aber schwierig zu integrieren.optische GeräteMolekülkristalle sind zwar einfacher zu integrieren, aber es ist schwierig, eine zuverlässige Verbindung zwischen Spin und Licht herzustellen, da die Emissionsbänder zu breit sind.
Die in dieser Arbeit entwickelten Seltenerd-Molekülkristalle vereinen elegant die Vorteile beider Ansätze: Unter Laseranregung emittiert Eu³⁺ Photonen, die Informationen über den Kernspin tragen. Mithilfe spezifischer Laserexperimente lässt sich eine effiziente optische/nukleare Spin-Schnittstelle erzeugen. Darauf aufbauend realisierten die Forscher die Adressierung von Kernspinniveaus, die kohärente Speicherung von Photonen und die Durchführung der ersten Quantenoperation.
Für effizientes Quantencomputing werden üblicherweise mehrere verschränkte Qubits benötigt. Die Forscher demonstrierten, dass Eu³⁺ in den oben genannten Molekülkristallen durch Streufeldkopplung Quantenverschränkung erreichen und somit Quanteninformationsverarbeitung ermöglichen kann. Da die Molekülkristalle mehrere Seltenerdionen enthalten, lassen sich relativ hohe Qubitdichten erzielen.
Eine weitere Voraussetzung für Quantencomputer ist die Adressierbarkeit einzelner Qubits. Die in dieser Arbeit vorgestellte optische Adressierungstechnik kann die Lesegeschwindigkeit verbessern und Störungen des Schaltkreissignals verhindern. Im Vergleich zu früheren Studien ist die optische Kohärenz der hier beschriebenen Eu³⁺-Molekülkristalle um etwa das Tausendfache verbessert, sodass die Kernspinzustände gezielt optisch manipuliert werden können.
Optische Signale eignen sich auch für die Quanteninformationsverteilung über große Entfernungen, um Quantencomputer für die Quantenfernkommunikation zu verbinden. Weiterhin könnte die Integration neuer Eu³⁺-Molekülkristalle in die photonische Struktur zur Verstärkung des Leuchtsignals in Betracht gezogen werden. Diese Arbeit nutzt Seltenerdmoleküle als Grundlage für das Quanteninternet und stellt einen wichtigen Schritt hin zu zukünftigen Architekturen für die Quantenkommunikation dar.
Veröffentlichungsdatum: 02.01.2024