量子通信：分子、希土類、光学

Quantum Information Technologyは、量子力学に基づいた新しい情報技術であり、に含まれる物理情報をエンコード、計算、送信します。量子システム。量子情報技術の開発と適用は、「量子時代」に私たちをもたらし、より高い作業効率、より安全なコミュニケーション方法、より便利で緑のライフスタイルを実現します。

量子システム間の通信の効率は、光と相互作用する能力に依存します。ただし、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研究所の研究チームは、光学系の用途のための希土類ユーロピウムイオン（EU³ +）に基づく分子結晶の可能性を実証しました。彼らは、このEU³ +分子結晶の超ナロウ線幅放出が光と効率的な相互作用を可能にし、重要な価値を持つことを発見しました。量子通信および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

量子状態は重ね合わせることができるため、量子情報を重ね合わせることができます。単一のqubitは、0〜1の間のさまざまな異なる状態を同時に表すことができ、バッチで並行してデータを処理できるようにします。その結果、量子コンピューターのコンピューティング能力は、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ためには、キュービットの重ね合わせはしばらくの間着実に持続できる必要があります。量子力学では、この安定性の期間はコヒーレンス寿命として知られています。核のスピンに対する環境の影響が効果的に保護されているため、複雑な分子の核スピンは長い乾燥寿命で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およびスピン特性を持っていますが、統合することは困難です光学デバイス。分子結晶は統合が容易ですが、排出バンドが広すぎるため、スピンと光の間に信頼できる接続を確立することは困難です。

この研究で発生した希土類分子結晶は、レーザー励起下で、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、両方の利点をきちんと組み合わせて組み合わせています。特定のレーザー実験により、効率的な光学/核スピン界面を生成できます。これに基づいて、研究者はさらに、核スピンレベルのアドレス指定、光子の一貫した貯蔵、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、複数の絡み合ったキュービットが必要です。研究者たちは、上記の分子結晶のEu³ +が、迷走した電界結合を介して量子絡み合いを達成し、それにより量子情報処理を可能にす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、比較的高いキ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、個々のキュービットのアドレス指定性です。この作業の光学アドレス指定手法は、読み取り速度を改善し、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 +分子結晶の光学的一貫性は約1000倍改善されているため、核スピン状態を特定の方法で光学的に操作できます。

光学信号は、リモート量子通信の量子コンピューターを接続するための長距離量子情報分布にも適しています。発光信号を強化するために、新しいEu³ +分子結晶のフォトニック構造への統合をさらに考慮することができます。この作業は、Quantum Internetの基礎としてRare Earth分子を使用し、将来の量子通信アーキテクチャに向けて重要な一歩を踏み出します。