תקשורת קוונטית: מולקולות, אדמות נדירות ואופטיות

טכנולוגיית מידע קוונטית היא טכנולוגיית מידע חדשה המבוססת על מכניקת קוונטים, המקודדת, מחושבת ומעבירה את המידע הפיזי הכלולמערכת קוונטיתו פיתוח ויישום של טכנולוגיית מידע קוונטית יביא אותנו ל"עידן הקוונטי ", ותממש יעילות עבודה גבוהה יותר, שיטות תקשורת מאובטחות יותר ואורח חיים נוח יותר וירוק.

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 בפריס ובמכון הטכנולוגי של קרלסרוה, הדגים יחד את הפוטנציאל של גביש מולקולרי המבוסס על יוני אירופה אדמה נדירים (EUדרים +) ליישומים במערכות קוונטיות של אופטיות. הם גילו כי פליטת רוחב הקו האולטרה-חרה של הגביש המולקולרי של EU³ + זה מאפשרת אינטראקציה יעילה עם אור ויש לה ערך חשוב ב-תקשורת קוונטיתומחשוב קוונטי.

איור 1: תקשורת קוונטית המבוססת על גבישים מולקולריים אירופיים נדירים של כדור הארץ הנדיר

ניתן להניח מצבים קוונטיים, כך שניתן להניח מידע קוונטי. Qubit יחיד יכול לייצג בו זמנית מגוון מצבים שונים בין 0 ל -1, ומאפשר לעבד נתונים במקביל בקבוצות. כתוצאה מכך, כוח המחשוב של מחשבים קוונטיים יגדל באופן אקספוננציאלי בהשוואה למחשבים דיגיטליים מסורתיים. עם זאת, על מנת לבצע פעולות חישוביות, על העל של Qubits להיות מסוגל להתמיד בהתמדה לפרק זמן. במכניקת הקוונטים, תקופת יציבות זו ידועה בשם חיי הקוהרנטיות. הסיבובים הגרעיניים של מולקולות מורכבות יכולות להשיג מצבי סופרפוזיציה עם תקופות חיים יבשות ארוכות מכיוון שההשפעה של הסביבה על ספינים גרעיניים מוגנת ביעילות.

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

הגבישים המולקולריים הנדירים של כדור הארץ שפותחו בעבודה זו משלבים בצורה מסודרת את היתרונות של שניהם בכך, תחת עירור לייזר, EUדרים + יכולים לפלוט פוטונים הנושאים מידע על סיבוב גרעיני. באמצעות ניסויי לייזר ספציפיים ניתן לייצר ממשק ספין אופטי/גרעיני יעיל. על בסיס זה, החוקרים הבינו עוד יותר רמת סיבוב גרעינית, אחסון קוהרנטי של פוטונים וביצוע הפעולה הקוונטית הראשונה.

לצורך מחשוב קוונטי יעיל, בדרך כלל נדרשים קוביות מסבכות מרובות. החוקרים הדגימו כי EU³ + בגבישים המולקולריים לעיל יכולים להשיג הסתבכות קוונטית באמצעות צימוד שדה חשמלי תועה, ובכך לאפשר עיבוד מידע קוונטי. מכיוון שהגבישים המולקולריים מכילים יוני אדמה נדירים מרובים, ניתן להשיג צפיפות qubit גבוהה יחסית.

דרישה נוספת למחשוב קוונטי היא הכתובת של qubits בודדים. טכניקת הכתובת האופטית בעבודה זו יכולה לשפר את מהירות הקריאה ולמנוע את הפרעה של אות המעגל. בהשוואה למחקרים קודמים, הקוהרנטיות האופטית של גבישים מולקולריים של EU³ + המדווחים בעבודה זו משופרת על פי אלף פי, כך שניתן לתפעל אופטי באופן ספציפי באופן ספציפי.

אותות אופטיים מתאימים גם להפצת מידע קוונטי למרחקים ארוכים לחיבור מחשבים קוונטיים לתקשורת קוונטית מרחוק. ניתן לקחת בחשבון נוסף לשילוב של גבישים מולקולריים חדשים של EU³ + במבנה הפוטוני כדי לשפר את האות הזוהר. עבודה זו משתמשת במולקולות אדמה נדירות כבסיס לאינטרנט קוונטי, ולוקח צעד חשוב לעבר ארכיטקטורות תקשורת קוונטיות עתידיות.