תקשורת קוונטית: מולקולות, אדמה נדירה ואופטיקה

טכנולוגיית מידע קוונטית היא טכנולוגיית מידע חדשה המבוססת על מכניקת הקוונטים, אשר מקודדת, מחשבת ומעבירה את המידע הפיזיקלי הכלול ב...מערכת קוונטיתהפיתוח והיישום של טכנולוגיית מידע קוונטית יביאו אותנו ל"עידן הקוונטים", ויגרום לנו להגשים יעילות עבודה גבוהה יותר, שיטות תקשורת מאובטחות יותר ואורח חיים נוח וירוק יותר.

יעילות התקשורת בין מערכות קוונטיות תלויה ביכולתן לתקשר עם אור. עם זאת, קשה מאוד למצוא חומר שיכול לנצל באופן מלא את התכונות הקוונטיות של אופטיקה.

לאחרונה, צוות מחקר במכון לכימיה בפריז ובמכון הטכנולוגי קרלסרוהה הדגימו יחד את הפוטנציאל של גביש מולקולרי המבוסס על יוני אירופיום נדירים (Eu³+) ליישומים במערכות קוונטיות של אופטיקה. הם מצאו כי פליטת רוחב הקו האולטרה-צרה של גביש מולקולרי Eu³+ זה מאפשרת אינטראקציה יעילה עם אור ויש לה ערך חשוב ב...תקשורת קוונטיתומחשוב קוונטי.

איור 1: תקשורת קוונטית המבוססת על גבישי מולקולות אירופיום עשויים אדמה נדירה

ניתן להניח מצבים קוונטיים על גבי גבי, כך שניתן להניח מידע קוונטי על גבי גבי. קיוביט בודד יכול לייצג בו זמנית מגוון מצבים שונים בין 0 ל-1, מה שמאפשר עיבוד נתונים במקביל ובקבוצות. 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 יציב למשך זמן מסוים. במכניקת הקוונטים, תקופת יציבות זו ידועה בשם אורך החיים הקוהרנטי. הספינים הגרעיניים של מולקולות מורכבות יכולים להגיע למצבי סופרפוזיציה עם אורך חיים יבש ארוך מכיוון שהשפעת הסביבה על הספינים הגרעיניים מוגנת ביעילות.

יוני אדמה נדירה וגבישים מולקולריים הן שתי מערכות שנעשה בהן שימוש בטכנולוגיית קוונטים. ליוני אדמה נדירה יש תכונות אופטיות וספין מצוינות, אך קשה לשלב אותם.מכשירים אופטייםגבישים מולקולריים קלים יותר לאינטגרציה, אך קשה ליצור קשר אמין בין ספין לאור מכיוון שפסי הפליטה רחבים מדי.

גבישי האדמה הנדירים שפותחו בעבודה זו משלבים בצורה מושלמת את היתרונות של שניהם בכך שתחת עירור לייזר, Eu³+ יכול לפלוט פוטונים הנושאים מידע על ספין גרעיני. באמצעות ניסויי לייזר ספציפיים, ניתן ליצור ממשק אופטי/ספין גרעיני יעיל. על בסיס זה, החוקרים הבינו עוד יותר את הפנייה ברמת הספין הגרעיני, אחסון קוהרנטי של פוטונים וביצוע הפעולה הקוונטית הראשונה.

עבור מחשוב קוונטי יעיל, בדרך כלל נדרשים מספר קיוביטים שזורים. החוקרים הדגימו כי Eu³+ בגבישים המולקולריים הנ"ל יכול להשיג שזירה קוונטית באמצעות צימוד שדה חשמלי תועה, ובכך לאפשר עיבוד מידע קוונטי. מכיוון שהגבישים המולקולריים מכילים מספר יוני אדמה נדירים, ניתן להשיג צפיפויות קיוביטים גבוהות יחסית.

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

אותות אופטיים מתאימים גם להפצת מידע קוונטי למרחקים ארוכים כדי לחבר מחשבים קוונטיים לתקשורת קוונטית מרחוק. ניתן לשקול זאת עוד יותר בשילוב גבישים מולקולריים חדשים של Eu³+ במבנה הפוטוני כדי לשפר את האות הזוהר. עבודה זו משתמשת במולקולות אדמה נדירות כבסיס לאינטרנט קוונטי, ועושה צעד חשוב לקראת ארכיטקטורות תקשורת קוונטית עתידיות.