การสื่อสารด้วยควอนตัม: โมเลกุล ธาตุหายาก และแสง

เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมเป็นเทคโนโลยีสารสนเทศใหม่ที่ใช้กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเข้ารหัส คำนวณ และส่งข้อมูลทางกายภาพที่มีอยู่ในระบบควอนตัมการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมจะนำเราเข้าสู่ “ยุคควอนตัม” และตระหนักถึงประสิทธิภาพการทำงานที่สูงขึ้น วิธีการสื่อสารที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น และวิถีชีวิตที่สะดวกสบายและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ประสิทธิภาพของการสื่อสารระหว่างระบบควอนตัมขึ้นอยู่กับความสามารถในการโต้ตอบกับแสง อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องยากมากที่จะหาวัสดุที่สามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมของแสงได้อย่างเต็มที่

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยจากสถาบันเคมีแห่งปารีสและสถาบันเทคโนโลยีคาร์ลสรูเออ ได้ร่วมกันสาธิตศักยภาพของผลึกโมเลกุลที่ผลิตจากไอออนยูโรเพียมธาตุหายาก (Eu³+) สำหรับการใช้งานในระบบควอนตัมเชิงแสง พวกเขาพบว่าการแผ่รังสีเส้นแคบพิเศษของผลึกโมเลกุล Eu³+ นี้ช่วยให้เกิดปฏิกิริยากับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และมีคุณค่าสำคัญในการสื่อสารเชิงควอนตัมและการประมวลผลควอนตัม

รูปที่ 1: การสื่อสารแบบควอนตัมโดยใช้ผลึกโมเลกุลยูโรเพียมของธาตุหายาก

สถานะควอนตัมสามารถซ้อนทับกันได้ ดังนั้นข้อมูลควอนตัมจึงสามารถซ้อนทับกันได้ คิวบิตหนึ่งตัวสามารถแสดงสถานะต่างๆ ระหว่าง 0 ถึง 1 ได้พร้อมกัน ทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลแบบขนานเป็นชุดๆ ได้ ส่งผลให้พลังการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อเทียบกับคอมพิวเตอร์ดิจิทัลแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สามารถดำเนินการคำนวณได้ การซ้อนทับของคิวบิตจะต้องสามารถคงอยู่ได้อย่างมั่นคงเป็นระยะเวลาหนึ่ง ในกลศาสตร์ควอนตัม ช่วงเวลาของเสถียรภาพนี้เรียกว่าอายุขัยโคฮีเรนซ์ สปินนิวเคลียสของโมเลกุลเชิงซ้อนสามารถบรรลุสถานะซ้อนทับที่มีอายุขัยแห้งยาวนานได้ เนื่องจากอิทธิพลของสภาพแวดล้อมที่มีต่อสปินนิวเคลียสได้รับการปกป้องอย่างมีประสิทธิภาพ

ไอออนของธาตุหายากและผลึกโมเลกุลเป็นสองระบบที่ถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีควอนตัม ไอออนของธาตุหายากมีคุณสมบัติทางแสงและสปินที่ยอดเยี่ยม แต่ยากที่จะรวมเข้าด้วยกันอุปกรณ์ออปติคัลผลึกโมเลกุลนั้นรวมเข้าได้ง่ายกว่า แต่การสร้างการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ระหว่างสปินและแสงนั้นทำได้ยาก เนื่องจากแถบการแผ่รังสีนั้นกว้างเกินไป

ผลึกโมเลกุลของธาตุหายากที่พัฒนาขึ้นในงานวิจัยนี้ได้ผสานข้อดีของทั้งสองอย่างเข้าด้วยกันอย่างลงตัว กล่าวคือ ภายใต้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ Eu³ + สามารถปล่อยโฟตอนที่นำพาข้อมูลเกี่ยวกับสปินของนิวเคลียสออกมาได้ ด้วยการทดลองเลเซอร์เฉพาะทาง สามารถสร้างส่วนต่อประสานระหว่างสปินแสงและนิวเคลียสที่มีประสิทธิภาพได้ ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงสามารถพัฒนาการกำหนดแอดเดรสระดับสปินของนิวเคลียส การจัดเก็บโฟตอนแบบสอดคล้องกัน และการดำเนินการควอนตัมครั้งแรก

เพื่อการประมวลผลควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ มักจำเป็นต้องใช้คิวบิตพันกันหลายตัว นักวิจัยแสดงให้เห็นว่า Eu³ + ในผลึกโมเลกุลข้างต้นสามารถทำให้เกิดพันกันของควอนตัมได้ผ่านการจับคู่สนามไฟฟ้าจรจัด ซึ่งทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลควอนตัมได้ เนื่องจากผลึกโมเลกุลประกอบด้วยไอออนของธาตุหายากหลายตัว จึงสามารถบรรลุความหนาแน่นของคิวบิตที่ค่อนข้างสูงได้

ข้อกำหนดอีกประการหนึ่งของการประมวลผลควอนตัมคือความสามารถในการระบุตำแหน่ง (addressability) ของคิวบิตแต่ละตัว เทคนิคการระบุตำแหน่งด้วยแสงในงานวิจัยนี้สามารถปรับปรุงความเร็วในการอ่านและป้องกันการรบกวนของสัญญาณวงจรได้ เมื่อเทียบกับงานวิจัยก่อนหน้านี้ ความสอดคล้องเชิงแสงของผลึกโมเลกุล Eu³ + ที่รายงานไว้ในงานวิจัยนี้ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นประมาณหนึ่งพันเท่า ทำให้สามารถควบคุมสถานะของสปินนิวเคลียร์ด้วยวิธีเฉพาะทางแสงได้

สัญญาณแสงยังเหมาะสำหรับการกระจายข้อมูลควอนตัมระยะไกลเพื่อเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมสำหรับการสื่อสารควอนตัมระยะไกล อาจมีการพิจารณาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการผสานผลึกโมเลกุล Eu³ + ใหม่เข้ากับโครงสร้างโฟตอนิกส์เพื่อเพิ่มสัญญาณส่องสว่าง งานวิจัยนี้ใช้โมเลกุลธาตุหายากเป็นพื้นฐานสำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัม และเป็นก้าวสำคัญสู่สถาปัตยกรรมการสื่อสารควอนตัมในอนาคต