A tecnologia da informação quântica é uma nova tecnologia da informação baseada na mecânica quântica, que codifica, computa e transmite a informação física contida emsistema quântico. O desenvolvimento e a aplicação da tecnologia da informação quântica nos levarão à “era quântica” e alcançarão maior eficiência no trabalho, métodos de comunicação mais seguros e um estilo de vida mais conveniente e ecológico.
A eficiência da comunicação entre sistemas quânticos depende da sua capacidade de interagir com a luz. No entanto, é muito difícil encontrar um material que possa aproveitar ao máximo as propriedades quânticas da óptica.
Recentemente, uma equipe de pesquisa do Instituto de Química de Paris e do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe demonstraram juntos o potencial de um cristal molecular baseado em íons de terras raras európio (Eu³+) para aplicações em sistemas quânticos de óptica. Eles descobriram que a emissão de largura de linha ultraestreita deste cristal molecular Eu³ + permite uma interação eficiente com a luz e tem um valor importante emcomunicação quânticae computação quântica.
Figura 1: Comunicação quântica baseada em cristais moleculares de európio de terras raras
Os estados quânticos podem ser sobrepostos, portanto, as informações quânticas podem ser sobrepostas. Um único qubit pode representar simultaneamente uma variedade de estados diferentes entre 0 e 1, permitindo que os dados sejam processados paralelamente em lotes. Como resultado, o poder computacional dos computadores quânticos aumentará exponencialmente em comparação com os computadores digitais tradicionais. No entanto, para realizar operações computacionais, a superposição de qubits deve ser capaz de persistir de forma constante por um período de tempo. Na mecânica quântica, esse período de estabilidade é conhecido como tempo de vida de coerência. Os spins nucleares de moléculas complexas podem atingir estados de superposição com longos tempos de vida secos porque a influência do ambiente nos spins nucleares é efetivamente protegida.
Íons de terras raras e cristais moleculares são dois sistemas que têm sido usados na tecnologia quântica. Os íons de terras raras têm excelentes propriedades ópticas e de spin, mas são difíceis de serem integrados emdispositivos ópticos. Os cristais moleculares são mais fáceis de integrar, mas é difícil estabelecer uma ligação confiável entre spin e luz porque as bandas de emissão são muito largas.
Os cristais moleculares de terras raras desenvolvidos neste trabalho combinam perfeitamente as vantagens de ambos, pois, sob excitação a laser, o Eu³ + pode emitir fótons transportando informações sobre o spin nuclear. Através de experimentos específicos com laser, uma interface eficiente de spin óptico/nuclear pode ser gerada. Com base nisso, os pesquisadores realizaram ainda o endereçamento do nível de spin nuclear, o armazenamento coerente de fótons e a execução da primeira operação quântica.
Para uma computação quântica eficiente, geralmente são necessários vários qubits emaranhados. Os pesquisadores demonstraram que o Eu³ + nos cristais moleculares acima pode alcançar o emaranhamento quântico por meio do acoplamento de campos elétricos dispersos, permitindo assim o processamento de informações quânticas. Como os cristais moleculares contêm vários íons de terras raras, densidades de qubit relativamente altas podem ser alcançadas.
Outro requisito para a computação quântica é a capacidade de endereçamento de qubits individuais. A técnica de endereçamento óptico neste trabalho pode melhorar a velocidade de leitura e evitar a interferência do sinal do circuito. Em comparação com estudos anteriores, a coerência óptica dos cristais moleculares Eu³ + relatados neste trabalho é melhorada em cerca de mil vezes, de modo que os estados de spin nuclear podem ser manipulados opticamente de uma forma específica.
Os sinais ópticos também são adequados para distribuição de informações quânticas de longa distância para conectar computadores quânticos para comunicação quântica remota. Considerações adicionais poderiam ser dadas à integração de novos cristais moleculares de Eu³ + na estrutura fotônica para melhorar o sinal luminoso. Este trabalho usa moléculas de terras raras como base para a Internet quântica e dá um passo importante em direção às futuras arquiteturas de comunicação quântica.
Horário da postagem: 02 de janeiro de 2024