การสื่อสารควอนตัม: โมเลกุล ธาตุหายาก และแสง

เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมเป็นเทคโนโลยีสารสนเทศใหม่ที่อิงตามกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเข้ารหัส คำนวณ และส่งข้อมูลทางกายภาพที่บรรจุอยู่ภายในระบบควอนตัมการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมจะนำเราเข้าสู่ “ยุคควอนตัม” และทำให้ประสิทธิภาพการทำงานสูงขึ้น วิธีการสื่อสารที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น และวิถีชีวิตที่สะดวกสบายและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ประสิทธิภาพของการสื่อสารระหว่างระบบควอนตัมขึ้นอยู่กับความสามารถในการปฏิสัมพันธ์กับแสง อย่างไรก็ตาม การค้นหาวัสดุที่สามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมของแสงได้อย่างเต็มที่นั้นเป็นเรื่องยากมาก

เมื่อไม่นานมานี้ ทีมวิจัยจากสถาบันเคมีในปารีสและสถาบันเทคโนโลยีคาร์ลสรูห์ได้ร่วมกันสาธิตศักยภาพของผลึกโมเลกุลที่ใช้ไอออนยูโรเปียม (Eu³+) ซึ่งเป็นธาตุหายาก สำหรับการใช้งานในระบบควอนตัมทางแสง พวกเขาพบว่าการปล่อยแสงที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบมากของผลึกโมเลกุล Eu³+ นี้ ช่วยให้เกิดปฏิสัมพันธ์กับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และมีคุณค่าสำคัญในด้านต่างๆการสื่อสารควอนตัมและการคำนวณควอนตัม

รูปที่ 1: การสื่อสารควอนตัมโดยใช้ผลึกโมเลกุลยูโรเปียมธาตุหายาก

สถานะควอนตัมสามารถซ้อนทับกันได้ ดังนั้นข้อมูลควอนตัมจึงสามารถซ้อนทับกันได้เช่นกัน คิวบิตเดียวสามารถแทนสถานะต่างๆ ระหว่าง 0 และ 1 ได้พร้อมกัน ทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลแบบขนานเป็นชุดได้ ส่งผลให้กำลังการคำนวณของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณเมื่อเทียบกับคอมพิวเตอร์ดิจิทัลแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สามารถดำเนินการคำนวณได้ การซ้อนทับของคิวบิตจะต้องคงอยู่ได้อย่างเสถียรในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ในกลศาสตร์ควอนตัม ระยะเวลาแห่งความเสถียรนี้เรียกว่าอายุการคงอยู่ของความสอดคล้อง (coherence lifetime) สปินนิวเคลียร์ของโมเลกุลที่ซับซ้อนสามารถบรรลุสถานะซ้อนทับที่มีอายุการคงอยู่แบบแห้งยาวนานได้ เนื่องจากอิทธิพลของสิ่งแวดล้อมต่อสปินนิวเคลียร์ถูกป้องกันอย่างมีประสิทธิภาพ

ไอออนของธาตุหายากและผลึกโมเลกุลเป็นสองระบบที่ถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีควอนตัม ไอออนของธาตุหายากมีคุณสมบัติทางแสงและสปินที่ยอดเยี่ยม แต่การบูรณาการเข้ากับระบบต่างๆ นั้นทำได้ยากอุปกรณ์ทางแสงผลึกระดับโมเลกุลนั้นง่ายต่อการรวมเข้าด้วยกัน แต่การสร้างความเชื่อมโยงที่น่าเชื่อถือระหว่างสปินกับแสงนั้นทำได้ยาก เนื่องจากแถบการปล่อยแสงนั้นกว้างเกินไป

ผลึกโมเลกุลของธาตุหายากที่พัฒนาขึ้นในงานวิจัยนี้ได้รวมข้อดีของทั้งสองอย่างเข้าด้วยกันอย่างลงตัว กล่าวคือ ภายใต้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ Eu³+ สามารถปล่อยโฟตอนที่บรรจุข้อมูลเกี่ยวกับสปินของนิวเคลียสได้ ผ่านการทดลองด้วยเลเซอร์แบบเฉพาะเจาะจง สามารถสร้างส่วนต่อประสานระหว่างแสงและสปินของนิวเคลียสที่มีประสิทธิภาพได้ บนพื้นฐานนี้ นักวิจัยได้ตระหนักถึงการระบุระดับสปินของนิวเคลียส การจัดเก็บโฟตอนแบบสอดคล้อง และการดำเนินการทางควอนตัมครั้งแรกได้สำเร็จ

สำหรับการคำนวณควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ มักต้องใช้คิวบิตที่พันกันหลายตัว นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่า Eu³⁺ ในผลึกโมเลกุลข้างต้นสามารถบรรลุการพันกันทางควอนตัมผ่านการเชื่อมต่อสนามไฟฟ้าที่กระจัดกระจาย ซึ่งทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลควอนตัมได้ เนื่องจากผลึกโมเลกุลประกอบด้วยไอออนของธาตุหายากหลายชนิด จึงสามารถบรรลุความหนาแน่นของคิวบิตที่ค่อนข้างสูงได้

อีกหนึ่งข้อกำหนดสำหรับการคำนวณควอนตัมคือความสามารถในการระบุตำแหน่งของคิวบิตแต่ละตัว เทคนิคการระบุตำแหน่งด้วยแสงในงานวิจัยนี้สามารถปรับปรุงความเร็วในการอ่านและป้องกันการรบกวนของสัญญาณวงจรได้ เมื่อเปรียบเทียบกับงานวิจัยก่อนหน้านี้ ความสอดคล้องทางแสงของผลึกโมเลกุล Eu³⁺ ที่รายงานในงานวิจัยนี้ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นประมาณหนึ่งพันเท่า ทำให้สามารถควบคุมสถานะสปินของนิวเคลียสด้วยแสงได้อย่างเฉพาะเจาะจง

สัญญาณแสงยังเหมาะสำหรับการกระจายข้อมูลควอนตัมในระยะไกลเพื่อเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมสำหรับการสื่อสารควอนตัมระยะไกล ควรพิจารณาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการบูรณาการผลึกโมเลกุล Eu³⁺ ใหม่เข้ากับโครงสร้างโฟตอนิกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของสัญญาณแสง งานวิจัยนี้ใช้โมเลกุลธาตุหายากเป็นพื้นฐานสำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัม และเป็นก้าวสำคัญไปสู่สถาปัตยกรรมการสื่อสารควอนตัมในอนาคต