A tecnologia da informação quântica é uma nova tecnologia da informação baseada na mecânica quântica, que codifica, computa e transmite as informações físicas contidas 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 capacidade de interação 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 demonstrou, em conjunto, o potencial de um cristal molecular baseado em íons de európio de terras raras (Eu³+) para aplicações em sistemas quânticos ópticos. Eles descobriram que a emissão de largura de linha ultrafina deste cristal molecular de Eu³+ permite uma interação eficiente com a luz e tem valor importante emcomunicação quânticae computação quântica.
Figura 1: Comunicação quântica baseada em cristais moleculares de európio de terras raras
Estados quânticos podem ser sobrepostos, portanto, informações quânticas também podem ser sobrepostas. Um único qubit pode representar simultaneamente uma variedade de estados diferentes entre 0 e 1, permitindo que os dados sejam processados em paralelo 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 sobre os spins nucleares é efetivamente protegida.
Íons de terras raras e cristais moleculares são dois sistemas que têm sido utilizados na tecnologia quântica. Os íons de terras raras possuem excelentes propriedades ópticas e de spin, mas são difíceis de integrar emdispositivos ópticos. Cristais moleculares são mais fáceis de integrar, mas é difícil estabelecer uma conexão 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: sob excitação a laser, o Eu³+ pode emitir fótons contendo informações sobre o spin nuclear. Por meio de experimentos específicos com laser, uma interface óptica/spin nuclear eficiente pode ser gerada. Com base nisso, os pesquisadores realizaram 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 múltiplos qubits emaranhados. Os pesquisadores demonstraram que o Eu³ + nos cristais moleculares acima pode alcançar o emaranhamento quântico por meio do acoplamento de campo elétrico disperso, permitindo assim o processamento de informações quânticas. Como os cristais moleculares contêm múltiplos íons de terras raras, densidades de qubits relativamente altas podem ser alcançadas.
Outro requisito para a computação quântica é a endereçamento de qubits individuais. A técnica de endereçamento óptico utilizada neste trabalho pode melhorar a velocidade de leitura e evitar a interferência no sinal do circuito. Em comparação com estudos anteriores, a coerência óptica dos cristais moleculares de Eu³+ relatada neste trabalho é aumentada em cerca de mil vezes, permitindo que os estados de spin nuclear sejam manipulados opticamente de uma maneira específica.
Sinais ópticos também são adequados para distribuição de informações quânticas a longa distância, conectando computadores quânticos para comunicação quântica remota. Considerações adicionais podem ser feitas para a integração de novos cristais moleculares de Eu³+ na estrutura fotônica para aprimorar o sinal luminoso. Este trabalho utiliza moléculas de terras raras como base para a internet quântica e representa um passo importante em direção a futuras arquiteturas de comunicação quântica.
Horário da postagem: 02/01/2024