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 quânticoO desenvolvimento e a aplicação da tecnologia da informação quântica nos levarão à "era quântica", possibilitando maior eficiência no trabalho, métodos de comunicação mais seguros e um estilo de vida mais conveniente e sustentável.
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 tirar o máximo proveito das 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 (Eu³⁺), um elemento de terras raras, para aplicações em sistemas ópticos quânticos. Eles descobriram que a emissão com largura de linha ultranarrow desse cristal molecular de Eu³⁺ permite uma interação eficiente com a luz e possui importante valor em...comunicação quânticae computação quântica.
Figura 1: Comunicação quântica baseada em cristais moleculares de európio (um elemento de terras raras)
Os estados quânticos podem ser sobrepostos, permitindo a sobreposição de informações quânticas. Um único qubit pode representar simultaneamente uma variedade de estados diferentes entre 0 e 1, possibilitando o processamento paralelo de dados 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 estável por um período de tempo. Em 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 de coerência, pois a influência do ambiente sobre os spins nucleares é efetivamente blindada.
Íons de terras raras e cristais moleculares são dois sistemas que têm sido utilizados em tecnologia quântica. Os íons de terras raras possuem excelentes propriedades ópticas e de spin, mas são difíceis de integrar em...dispositivos ópticosOs cristais moleculares são mais fáceis de integrar, mas é difícil estabelecer uma conexão confiável entre o spin e a luz porque as bandas de emissão são muito largas.
Os cristais moleculares de terras raras desenvolvidos neste trabalho combinam de forma elegante as vantagens de ambos, uma vez que, sob excitação a laser, o Eu³⁺ pode emitir fótons que carregam informações sobre o spin nuclear. Através de experimentos específicos com laser, uma interface óptica/spin nuclear eficiente pode ser gerada. Com base nisso, os pesquisadores realizaram o endereçamento de níveis de spin nuclear, o armazenamento coerente de fótons e a execução da primeira operação quântica.
Para 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 campos elétricos dispersos, possibilitando assim o processamento de informação quântica. 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 capacidade de endereçamento de qubits individuais. A técnica de endereçamento óptico apresentada neste trabalho pode melhorar a velocidade de leitura e evitar interferências no sinal do circuito. Comparada a estudos anteriores, a coerência óptica dos cristais moleculares de Eu³⁺ relatada neste trabalho é cerca de mil vezes maior, permitindo a manipulação óptica precisa dos estados de spin nuclear.
Os sinais ópticos também são adequados para a distribuição de informação quântica a longa distância, permitindo a conexão de computadores quânticos para comunicação quântica remota. Uma alternativa viável seria a integração de novos cristais moleculares de Eu³⁺ na estrutura fotônica para intensificar o sinal luminoso. Este trabalho utiliza moléculas de terras raras como base para a Internet quântica e representa um passo importante rumo às futuras arquiteturas de comunicação quântica.
Data da publicação: 02/01/2024