การสื่อสารควอนตัม: โมเลกุล ธาตุหายาก และแสง

เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมเป็นเทคโนโลยีสารสนเทศใหม่ที่ใช้กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเข้ารหัส คำนวณ และส่งข้อมูลทางกายภาพที่มีอยู่ในระบบควอนตัม- การพัฒนาและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมจะนำเราเข้าสู่ "ยุคควอนตัม" และตระหนักถึงประสิทธิภาพการทำงานที่สูงขึ้น วิธีการสื่อสารที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น และไลฟ์สไตล์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและสะดวกสบายยิ่งขึ้น

ประสิทธิภาพของการสื่อสารระหว่างระบบควอนตัมขึ้นอยู่กับความสามารถในการโต้ตอบกับแสง อย่างไรก็ตาม เป็นการยากมากที่จะหาวัสดุที่สามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมของแสงได้อย่างเต็มที่

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยที่สถาบันเคมีในปารีสและสถาบันเทคโนโลยีคาร์ลสรูเฮอได้ร่วมกันสาธิตศักยภาพของผลึกโมเลกุลที่อิงจากไอออนยูโรเพียมของธาตุหายาก (Eu³ +) สำหรับการใช้งานในระบบควอนตัมด้านแสง พวกเขาพบว่าการปล่อยคลื่นเส้นตรงที่แคบเป็นพิเศษของผลึกโมเลกุล Eu³ + นี้ช่วยให้ปฏิสัมพันธ์กับแสงมีประสิทธิภาพและมีคุณค่าที่สำคัญในการสื่อสารควอนตัมและการคำนวณควอนตัม

รูปที่ 1: การสื่อสารควอนตัมโดยใช้ผลึกโมเลกุลยูโรเพียมของธาตุหายาก

สถานะควอนตัมสามารถซ้อนทับได้ ดังนั้นข้อมูลควอนตัมจึงสามารถซ้อนทับได้ ควิบิตเดี่ยวสามารถแสดงสถานะต่างๆ ที่หลากหลายได้ตั้งแต่ 0 ถึง 1 พร้อมกัน ทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลแบบขนานเป็นชุดได้ เป็นผลให้พลังการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับคอมพิวเตอร์ดิจิทัลแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เพื่อดำเนินการคำนวณ การซ้อนทับของ qubit จะต้องสามารถคงอยู่ได้อย่างมั่นคงเป็นระยะเวลาหนึ่ง ในกลศาสตร์ควอนตัม ช่วงเวลาของเสถียรภาพนี้เรียกว่าอายุการเชื่อมโยงกัน การหมุนของนิวเคลียสของโมเลกุลเชิงซ้อนสามารถบรรลุสภาวะซ้อนทับโดยมีอายุการใช้งานที่แห้งยาวนาน เนื่องจากอิทธิพลของสภาพแวดล้อมที่มีต่อการหมุนของนิวเคลียสได้รับการป้องกันอย่างมีประสิทธิภาพ

ไอออนของธาตุหายากและผลึกโมเลกุลเป็นสองระบบที่ใช้ในเทคโนโลยีควอนตัม ไอออนของธาตุหายากมีคุณสมบัติทางแสงและการหมุนที่ยอดเยี่ยม แต่ยากที่จะรวมเข้าด้วยกันอุปกรณ์ออปติคัล- ผลึกโมเลกุลนั้นผสานรวมได้ง่ายกว่า แต่ก็ยากที่จะสร้างการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ระหว่างสปินและแสง เนื่องจากแถบการปล่อยก๊าซกว้างเกินไป

ผลึกโมเลกุลของธาตุหายากที่พัฒนาขึ้นในงานนี้ผสมผสานข้อดีของทั้งสองอย่างเข้าด้วยกันอย่างลงตัว ภายใต้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ Eu³ + สามารถปล่อยโฟตอนที่มีข้อมูลเกี่ยวกับการหมุนของนิวเคลียร์ได้ ด้วยการทดลองเลเซอร์ที่เฉพาะเจาะจง สามารถสร้างส่วนต่อประสานการหมุนด้วยแสง/นิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพได้ บนพื้นฐานนี้ นักวิจัยยังได้ตระหนักถึงการกำหนดระดับการหมุนของนิวเคลียส การจัดเก็บโฟตอนที่สอดคล้องกัน และการดำเนินการของการดำเนินการควอนตัมครั้งแรก

สำหรับการคำนวณควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ โดยปกติแล้วจะต้องมีคิวบิตที่พันกันหลายตัว นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่า Eu³ + ในผลึกโมเลกุลข้างต้นสามารถบรรลุการพันกันของควอนตัมได้ผ่านการมีเพศสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้าที่หลงทาง ซึ่งช่วยให้สามารถประมวลผลข้อมูลควอนตัมได้ เนื่องจากผลึกโมเลกุลประกอบด้วยไอออนของธาตุหายากหลายตัว จึงสามารถบรรลุความหนาแน่นของควิบิตที่ค่อนข้างสูงได้

ข้อกำหนดอีกประการหนึ่งสำหรับการคำนวณควอนตัมคือความสามารถในการระบุที่อยู่ของแต่ละคิวบิต เทคนิคการกำหนดตำแหน่งด้วยแสงในงานนี้สามารถปรับปรุงความเร็วในการอ่านและป้องกันการรบกวนของสัญญาณวงจรได้ เมื่อเปรียบเทียบกับการศึกษาก่อนหน้านี้ การเชื่อมโยงกันทางแสงของผลึกโมเลกุล Eu³ + ที่รายงานในงานนี้ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นประมาณพันเท่า เพื่อให้สถานะการหมุนของนิวเคลียสสามารถถูกจัดการด้วยแสงในลักษณะเฉพาะได้

สัญญาณแสงยังเหมาะสำหรับการกระจายข้อมูลควอนตัมระยะไกลเพื่อเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมสำหรับการสื่อสารควอนตัมระยะไกล อาจพิจารณาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการรวมผลึกโมเลกุลEu³ + ใหม่เข้ากับโครงสร้างโฟโตนิกเพื่อเพิ่มสัญญาณการส่องสว่าง งานนี้ใช้โมเลกุลของธาตุหายากเป็นพื้นฐานสำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัม และถือเป็นก้าวสำคัญสู่สถาปัตยกรรมการสื่อสารควอนตัมในอนาคต