การสื่อสารด้วยควอนตัม: โมเลกุล ธาตุหายาก และแสง

เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมเป็นเทคโนโลยีสารสนเทศใหม่ที่ใช้หลักกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเข้ารหัส คำนวณ และถ่ายทอดข้อมูลทางกายภาพที่มีอยู่ในระบบควอนตัมการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีสารสนเทศเชิงควอนตัมจะพาเราเข้าสู่ “ยุคควอนตัม” และเกิดประสิทธิภาพการทำงานที่สูงขึ้น วิธีการสื่อสารที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น และวิถีชีวิตที่สะดวกสบายและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ประสิทธิภาพของการสื่อสารระหว่างระบบควอนตัมขึ้นอยู่กับความสามารถในการโต้ตอบกับแสง อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องยากมากที่จะหาวัสดุที่สามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมของแสงได้อย่างเต็มที่

เมื่อไม่นานนี้ ทีมวิจัยจากสถาบันเคมีในปารีสและสถาบันเทคโนโลยีคาร์ลสรูเออได้ร่วมกันสาธิตศักยภาพของผลึกโมเลกุลที่มีพื้นฐานมาจากไอออนยูโรเพียมธาตุหายาก (Eu³ +) สำหรับการใช้งานในระบบควอนตัมของออปติก พวกเขาพบว่าการแผ่รังสีเส้นแคบพิเศษของผลึกโมเลกุล Eu³ + นี้ทำให้สามารถโต้ตอบกับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพและมีคุณค่าสำคัญการสื่อสารแบบควอนตัมและการคำนวณแบบควอนตัม

รูปที่ 1: การสื่อสารแบบควอนตัมบนพื้นฐานของผลึกโมเลกุลยูโรเพียมของธาตุหายาก

สถานะควอนตัมสามารถซ้อนทับกันได้ ดังนั้นข้อมูลควอนตัมจึงสามารถซ้อนทับกันได้ คิวบิตตัวเดียวสามารถแสดงสถานะต่างๆ ระหว่าง 0 ถึง 1 ได้พร้อมกัน ทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลได้แบบขนานเป็นชุดๆ เป็นผลให้พลังการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อเทียบกับคอมพิวเตอร์ดิจิทัลแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เพื่อที่จะดำเนินการคำนวณได้ การซ้อนทับของคิวบิตจะต้องสามารถคงอยู่ได้อย่างสม่ำเสมอเป็นระยะเวลาหนึ่ง ในกลศาสตร์ควอนตัม ช่วงเวลาของเสถียรภาพนี้เรียกว่าอายุความสอดคล้องกัน สปินนิวเคลียสของโมเลกุลที่ซับซ้อนสามารถบรรลุสถานะซ้อนทับที่มีอายุความแห้งแล้งยาวนานได้ เนื่องจากอิทธิพลของสภาพแวดล้อมที่มีต่อสปินนิวเคลียสได้รับการปกป้องอย่างมีประสิทธิภาพ

ไอออนของแรร์เอิร์ธและผลึกโมเลกุลเป็นสองระบบที่ใช้ในเทคโนโลยีควอนตัม ไอออนของแรร์เอิร์ธมีคุณสมบัติทางแสงและสปินที่ยอดเยี่ยม แต่ยากต่อการผสานรวมอุปกรณ์ออปติคอลผลึกโมเลกุลนั้นรวมเข้าด้วยกันได้ง่ายกว่า แต่การสร้างการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ระหว่างสปินและแสงนั้นทำได้ยาก เนื่องจากแถบการแผ่รังสีนั้นกว้างเกินไป

ผลึกโมเลกุลของธาตุหายากที่พัฒนาขึ้นในงานนี้ผสมผสานข้อดีของทั้งสองอย่างเข้าด้วยกันอย่างแนบเนียน โดยภายใต้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ Eu³ + สามารถปล่อยโฟตอนที่นำข้อมูลเกี่ยวกับสปินของนิวเคลียสออกมาได้ ผ่านการทดลองเลเซอร์เฉพาะ สามารถสร้างอินเทอร์เฟซสปินออปติคอล/นิวเคลียสที่มีประสิทธิภาพได้ จากพื้นฐานนี้ นักวิจัยได้ตระหนักถึงการระบุตำแหน่งระดับสปินของนิวเคลียส การจัดเก็บโฟตอนที่สอดคล้องกัน และการดำเนินการควอนตัมครั้งแรก

สำหรับการประมวลผลควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องใช้คิวบิตที่พันกันหลายตัว นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่า Eu³ + ในผลึกโมเลกุลข้างต้นสามารถทำให้เกิดการพันกันของควอนตัมได้โดยใช้การจับคู่สนามไฟฟ้ารบกวน จึงทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลควอนตัมได้ เนื่องจากผลึกโมเลกุลประกอบด้วยไอออนของธาตุหายากหลายตัว จึงสามารถบรรลุความหนาแน่นของคิวบิตที่ค่อนข้างสูงได้

ข้อกำหนดอีกประการหนึ่งสำหรับการคำนวณแบบควอนตัมคือการระบุที่อยู่ของคิวบิตแต่ละตัว เทคนิคการระบุที่อยู่ด้วยแสงในงานวิจัยนี้สามารถปรับปรุงความเร็วในการอ่านและป้องกันการรบกวนของสัญญาณวงจรได้ เมื่อเปรียบเทียบกับการศึกษาครั้งก่อน ความสอดคล้องทางแสงของผลึกโมเลกุล Eu³ + ที่รายงานในงานวิจัยนี้ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นประมาณพันเท่า ทำให้สามารถจัดการสถานะของสปินนิวเคลียร์ด้วยแสงได้ในลักษณะเฉพาะ

สัญญาณออปติคัลยังเหมาะสำหรับการกระจายข้อมูลควอนตัมระยะไกลเพื่อเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมสำหรับการสื่อสารควอนตัมระยะไกล อาจพิจารณาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการผสานคริสตัลโมเลกุล Eu³ + ใหม่เข้ากับโครงสร้างโฟตอนิกส์เพื่อเพิ่มสัญญาณส่องสว่าง งานนี้ใช้โมเลกุลธาตุหายากเป็นพื้นฐานสำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัม และถือเป็นก้าวสำคัญสู่สถาปัตยกรรมการสื่อสารควอนตัมในอนาคต