量子通信: 分子、レアアース、光

量子情報技術は、量子力学に基づいた新しい情報技術であり、物体に含まれる物理情報を符号化し、計算し、送信します。量子システム。量子情報技術の開発と応用により、私たちは「量子時代」を迎え、より高い作業効率、より安全な通信手段、より便利でグリーンなライフスタイルが実現します。

量子システム間の通信効率は、量子システムが光と相互作用する能力に依存します。しかし、光学の量子特性を最大限に活用できる材料を見つけることは非常に困難です。

最近、パリの化学研究所とカールスルーエ工科大学の研究チームは、希土類ユーロピウム イオン (Eu3 +) をベースとした分子結晶が光学の量子システムに応用できる可能性を共同で実証しました。彼らは、この Eu3 + 分子結晶の超狭い線幅の発光が光との効率的な相互作用を可能にし、重要な価値があることを発見しました。量子通信そして量子コンピューティング。

図1: 希土類ユーロピウム分子結晶に基づく量子通信

量子の状態を重ね合わせることができるので、量子情報を重ね合わせることができます。単一の量子ビットは 0 から 1 までのさまざまな状態を同時に表現できるため、データをバッチで並列処理できます。その結果、量子コンピューターの計算能力は、従来のデジタルコンピューターと比較して指数関数的に増加します。ただし、計算操作を実行するには、量子ビットの重ね合わせが一定期間安定して持続できなければなりません。量子力学では、この安定期間はコヒーレンス寿命として知られています。核スピンに対する環境の影響が効果的に遮蔽されるため、複雑な分子の核スピンは乾燥寿命が長い重ね合わせ状態を達成できます。

希土類イオンと分子結晶は、量子技術で使用されている 2 つのシステムです。希土類イオンは優れた光学特性とスピン特性を持っていますが、粒子に統合するのが困難です。光学デバイス。分子結晶は統合が容易ですが、発光バンドが広すぎるため、スピンと光の間に信頼性の高い接続を確立することが困難です。

この研究で開発された希土類分子結晶は、レーザー励起下で Eu3 + が核スピンに関する情報を運ぶ光子を放出できるという点で、両方の利点をうまく組み合わせています。特定のレーザー実験を通じて、効率的な光/核スピン界面を生成できます。これに基づいて、研究者らはさらに、核スピンレベルのアドレス指定、光子のコヒーレントな保存、および最初の量子操作の実行を実現しました。

効率的な量子コンピューティングには、通常、複数のもつれ量子ビットが必要です。研究者らは、上記の分子結晶中の Eu3 + が漂遊電界結合を通じて量子もつれを実現し、それによって量子情報処理が可能になることを実証しました。分子結晶には複数の希土類イオンが含まれているため、比較的高い量子ビット密度を達成できます。

量子コンピューティングのもう 1 つの要件は、個々の量子ビットのアドレス指定可能性です。この研究における光アドレス技術は、読み取り速度を向上させ、回路信号の干渉を防ぐことができます。以前の研究と比較して、この研究で報告された Eu3 + 分子結晶の光学的コヒーレンスは約 1,000 倍改善されており、核スピン状態を特定の方法で光学的に操作することができます。

光信号は、量子コンピューターを接続して遠隔量子通信を行うための長距離量子情報配信にも適しています。発光信号を強化するために、新しい Eu3 + 分子結晶をフォトニック構造に統合することをさらに検討することができます。この研究は、量子インターネットの基礎としてレアアース分子を使用しており、将来の量子通信アーキテクチャに向けた重要な一歩を踏み出します。