La tecnología de la información cuántica es una nueva tecnología de la información basada en la mecánica cuántica, que codifica, calcula y transmite la información física contenida ensistema cuánticoEl desarrollo y la aplicación de la tecnología de la información cuántica nos llevarán a la “era cuántica” y lograrán una mayor eficiencia laboral, métodos de comunicación más seguros y un estilo de vida más cómodo y ecológico.
La eficacia de la comunicación entre sistemas cuánticos depende de su capacidad para interactuar con la luz. Sin embargo, es muy difícil encontrar un material que pueda aprovechar al máximo las propiedades cuánticas de la óptica.
Recientemente, un equipo de investigación del Instituto de Química de París y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe demostraron conjuntamente el potencial de un cristal molecular basado en iones de europio (Eu³⁺) de tierras raras para aplicaciones en sistemas cuánticos ópticos. Descubrieron que la emisión de línea espectral ultradelgada de este cristal molecular de Eu³⁺ permite una interacción eficiente con la luz y tiene un valor importante encomunicación cuánticay computación cuántica.
Figura 1: Comunicación cuántica basada en cristales moleculares de europio de tierras raras
Los estados cuánticos pueden superponerse, por lo que la información cuántica también puede superponerse. Un solo qubit puede representar simultáneamente diversos estados entre 0 y 1, lo que permite procesar datos en paralelo por lotes. Como resultado, la potencia de cálculo de las computadoras cuánticas aumentará exponencialmente en comparación con las computadoras digitales tradicionales. Sin embargo, para realizar operaciones computacionales, la superposición de qubits debe mantenerse estable durante un período de tiempo. En mecánica cuántica, este período de estabilidad se conoce como tiempo de coherencia. Los espines nucleares de moléculas complejas pueden alcanzar estados de superposición con largos tiempos de coherencia debido a que la influencia del entorno sobre los espines nucleares está eficazmente bloqueada.
Los iones de tierras raras y los cristales moleculares son dos sistemas que se han utilizado en tecnología cuántica. Los iones de tierras raras poseen excelentes propiedades ópticas y de espín, pero son difíciles de integrar endispositivos ópticosLos cristales moleculares son más fáciles de integrar, pero es difícil establecer una conexión fiable entre el espín y la luz porque las bandas de emisión son demasiado anchas.
Los cristales moleculares de tierras raras desarrollados en este trabajo combinan de forma óptima las ventajas de ambos métodos, ya que, bajo excitación láser, el Eu³⁺ puede emitir fotones que transportan información sobre el espín nuclear. Mediante experimentos láser específicos, se puede generar una interfaz óptica/de espín nuclear eficiente. Sobre esta base, los investigadores lograron además el direccionamiento del nivel de espín nuclear, el almacenamiento coherente de fotones y la ejecución de la primera operación cuántica.
Para una computación cuántica eficiente, generalmente se requieren múltiples cúbits entrelazados. Los investigadores demostraron que el Eu³⁺ en los cristales moleculares mencionados puede lograr entrelazamiento cuántico mediante el acoplamiento de campos eléctricos parásitos, lo que permite el procesamiento de información cuántica. Debido a que los cristales moleculares contienen múltiples iones de tierras raras, se pueden alcanzar densidades de cúbits relativamente altas.
Otro requisito para la computación cuántica es la direccionabilidad de los cúbits individuales. La técnica de direccionamiento óptico empleada en este trabajo permite mejorar la velocidad de lectura y evitar la interferencia de la señal del circuito. En comparación con estudios previos, la coherencia óptica de los cristales moleculares de Eu³⁺ descrita en este trabajo se ha mejorado aproximadamente mil veces, lo que permite manipular ópticamente los estados de espín nuclear de forma específica.
Las señales ópticas también son adecuadas para la distribución de información cuántica a larga distancia, permitiendo la conexión de computadoras cuánticas para la comunicación cuántica remota. Se podría considerar la integración de nuevos cristales moleculares de Eu³⁺ en la estructura fotónica para potenciar la señal luminosa. Este trabajo utiliza moléculas de tierras raras como base para el internet cuántico y representa un avance importante hacia las futuras arquitecturas de comunicación cuántica.
Fecha de publicación: 2 de enero de 2024