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 cuántico. El desarrollo y la aplicación de la tecnología de la información cuántica nos llevarán a la "era cuántica" y lograrán una mayor eficiencia en el trabajo, métodos de comunicación más seguros y un estilo de vida más conveniente y ecológico.
La eficiencia 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 del Instituto de Tecnología de Karlsruhe demostraron juntos el potencial de un cristal molecular basado en iones de europio de tierras raras (Eu³+) para aplicaciones en sistemas ópticos cuánticos. Descubrieron que la emisión de ancho de línea ultraestrecho 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 se pueden superponer, por lo que la información cuántica se puede superponer. Un solo qubit puede representar simultáneamente una variedad de estados diferentes entre 0 y 1, lo que permite que los datos se procesen en paralelo en lotes. Como resultado, la potencia informática de las computadoras cuánticas aumentará exponencialmente en comparación con las computadoras digitales tradicionales. Sin embargo, para poder realizar operaciones computacionales, la superposición de qubits debe poder persistir de manera constante durante un período de tiempo. En mecánica cuántica, este período de estabilidad se conoce como vida de coherencia. Los espines nucleares de moléculas complejas pueden alcanzar estados de superposición con largos tiempos de vida secos porque la influencia del medio ambiente sobre los espines nucleares está efectivamente protegida.
Los iones de tierras raras y los cristales moleculares son dos sistemas que se han utilizado en la tecnología cuántica. Los iones de tierras raras tienen excelentes propiedades ópticas y de espín, pero son difíciles de integrar endispositivos ópticos. Los 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 claramente las ventajas de ambos en el sentido de que, bajo excitación láser, Eu³+ puede emitir fotones que transportan información sobre el espín nuclear. Mediante experimentos con láser específicos, se puede generar una interfaz de espín óptico/nuclear eficiente. Sobre esta base, los investigadores realizaron 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 qubits entrelazados. Los investigadores demostraron que el Eu³+ en los cristales moleculares mencionados anteriormente puede lograr un entrelazamiento cuántico mediante el acoplamiento de campos eléctricos parásitos, permitiendo así el procesamiento de información cuántica. Debido a que los cristales moleculares contienen múltiples iones de tierras raras, se pueden lograr densidades de qubit relativamente altas.
Otro requisito de la computación cuántica es la direccionabilidad de qubits individuales. La técnica de direccionamiento óptico en este trabajo puede mejorar la velocidad de lectura y evitar la interferencia de la señal del circuito. En comparación con estudios anteriores, la coherencia óptica de los cristales moleculares de Eu³+ reportados en este trabajo se mejora aproximadamente mil veces, de modo que los estados de espín nuclear pueden manipularse ópticamente de una manera específica.
Las señales ópticas también son adecuadas para la distribución de información cuántica a larga distancia para conectar computadoras cuánticas para la comunicación cuántica remota. Se podría considerar más a fondo la integración de nuevos cristales moleculares de Eu³+ en la estructura fotónica para mejorar la señal luminosa. Este trabajo utiliza moléculas de tierras raras como base para la Internet cuántica y supone un paso importante hacia futuras arquitecturas de comunicación cuántica.
Hora de publicación: 02-ene-2024