תקשורת קוונטית: מולקולות, כדור הארץ נדיר ואופטי

טכנולוגיית מידע קוונטית היא טכנולוגיית מידע חדשה המבוססת על מכניקת הקוונטים, המקודדת, מחשבת ומשדרת את המידע הפיזי הכלול ב-מערכת קוונטית. הפיתוח והיישום של טכנולוגיית המידע הקוונטית יביא אותנו ל"עידן הקוונטי", ויממש יעילות עבודה גבוהה יותר, שיטות תקשורת בטוחות יותר ואורח חיים נוח וירוק יותר.

יעילות התקשורת בין מערכות קוונטיות תלויה ביכולתן לקיים אינטראקציה עם אור. עם זאת, קשה מאוד למצוא חומר שיכול לנצל את מלוא התכונות הקוונטיות של אופטי.

לאחרונה, צוות מחקר במכון לכימיה בפריז והמכון הטכנולוגי של קרלסרוהה הדגים יחד את הפוטנציאל של גביש מולקולרי המבוסס על יוני אירופיום נדירים (Eu³ +) ליישומים במערכות קוונטיות של אופטיות. הם מצאו שפליטת רוחב הקו הצר במיוחד של גביש Eu³ + מולקולרי זה מאפשרת אינטראקציה יעילה עם אור ויש לה ערך חשוב בתקשורת קוונטיתומחשוב קוונטי.

איור 1: תקשורת קוונטית המבוססת על גבישים מולקולריים של כדור הארץ נדיר של אירופיום

מצבים קוונטיים יכולים להיות מונחים על גבי, אז מידע קוונטי יכול להיות מונח על גבי. קיוביט בודד יכול לייצג בו זמנית מגוון של מצבים שונים בין 0 ל-1, מה שמאפשר לעבד נתונים במקביל באצווה. כתוצאה מכך, כוח המחשוב של מחשבים קוונטיים יגדל באופן אקספוננציאלי בהשוואה למחשבים דיגיטליים מסורתיים. עם זאת, על מנת לבצע פעולות חישוביות, הסופרפוזיציה של קיוביטים חייבת להיות מסוגלת להימשך באופן קבוע למשך תקופה. במכניקת הקוונטים, תקופה זו של יציבות ידועה בתור חיי הקוהרנטיות. הספינים הגרעיניים של מולקולות מורכבות יכולים להשיג מצבי סופרפוזיציה עם משך חיים יבש ארוך מכיוון שהשפעת הסביבה על ספינים גרעיניים מוגנת ביעילות.

יוני אדמה נדירים וגבישים מולקולריים הם שתי מערכות ששימשו בטכנולוגיה קוונטית. ליוני אדמה נדירות יש תכונות אופטיות וספין מצוינות, אך קשה להשתלב בהןמכשירים אופטיים. קל יותר לשלב גבישים מולקולריים, אך קשה ליצור קשר אמין בין ספין לאור מכיוון שרצועות הפליטה רחבות מדי.

הגבישים המולקולריים של כדור הארץ הנדירים שפותחו בעבודה זו משלבים היטב את היתרונות של שניהם בכך שתחת עירור לייזר, Eu³ + יכול לפלוט פוטונים הנושאים מידע על ספין גרעיני. באמצעות ניסויי לייזר ספציפיים, ניתן ליצור ממשק ספין אופטי/גרעיני יעיל. על בסיס זה, החוקרים הבינו עוד יותר את ההתייחסות לרמת ספין גרעיני, אחסון קוהרנטי של פוטונים וביצוע הפעולה הקוונטית הראשונה.

עבור מחשוב קוונטי יעיל, נדרשים בדרך כלל קיוביטים מסובכים מרובים. החוקרים הוכיחו ש-Eu³+ בגבישים המולקולריים לעיל יכולים להשיג הסתבכות קוונטית באמצעות צימוד שדה חשמלי תועה, ובכך לאפשר עיבוד מידע קוונטי. מכיוון שהגבישים המולקולריים מכילים מספר רב של יוני אדמה נדירים, ניתן להשיג צפיפות קיוביט גבוהה יחסית.

דרישה נוספת למחשוב קוונטי היא יכולת הכתובת של קיוביטים בודדים. טכניקת הפנייה האופטית בעבודה זו יכולה לשפר את מהירות הקריאה ולמנוע את ההפרעה של אות המעגל. בהשוואה למחקרים קודמים, הקוהרנטיות האופטית של גבישים מולקולריים Eu³ + שדווחו בעבודה זו השתפרה בכפי אלף, כך שניתן לתמרן אופטית את מצבי הספין הגרעיני בצורה ספציפית.

אותות אופטיים מתאימים גם להפצת מידע קוונטי למרחקים ארוכים לחיבור מחשבים קוונטיים לתקשורת קוונטית מרחוק. שיקול נוסף יכול להינתן לשילוב של גבישים מולקולריים חדשים Eu³ + במבנה הפוטוני כדי לשפר את האות הזוהר. עבודה זו משתמשת במולקולות אדמה נדירות כבסיס לאינטרנט קוונטי, ולוקחת צעד חשוב לעבר ארכיטקטורות תקשורת קוונטיות עתידיות.