კვანტური კომუნიკაცია: მოლეკულები, იშვიათმიწა ნივთიერებები და ოპტიკური

კვანტური საინფორმაციო ტექნოლოგია არის კვანტურ მექანიკაზე დაფუძნებული ახალი საინფორმაციო ტექნოლოგია, რომელიც აკოდირებს, ითვლის და გადასცემს ფიზიკურ ინფორმაციას, რომელიც შეიცავს...კვანტური სისტემაკვანტური საინფორმაციო ტექნოლოგიების შემუშავება და გამოყენება „კვანტურ ეპოქაში“ გადაგვიყვანს და უფრო მაღალ სამუშაო ეფექტურობას, უფრო უსაფრთხო კომუნიკაციის მეთოდებს და უფრო მოსახერხებელ და ეკოლოგიურად სუფთა ცხოვრების წესს მივაღწევთ.

კვანტურ სისტემებს შორის კომუნიკაციის ეფექტურობა დამოკიდებულია მათ სინათლესთან ურთიერთქმედების უნარზე. თუმცა, ძალიან რთულია ისეთი მასალის პოვნა, რომელსაც შეუძლია სრულად გამოიყენოს ოპტიკის კვანტური თვისებები.

ცოტა ხნის წინ, პარიზის ქიმიის ინსტიტუტისა და კარლსრუეს ტექნოლოგიური ინსტიტუტის კვლევითმა ჯგუფმა ერთად აჩვენა იშვიათმიწა ევროპიუმის იონებზე (Eu³+) დაფუძნებული მოლეკულური კრისტალის პოტენციალი ოპტიკური კვანტური სისტემების გამოყენებისთვის. მათ აღმოაჩინეს, რომ ამ Eu³+ მოლეკულური კრისტალის ულტრავიწრო ხაზის სიგანის ემისია უზრუნველყოფს სინათლესთან ეფექტურ ურთიერთქმედებას და მნიშვნელოვანი ღირებულება აქვს...კვანტური კომუნიკაციადა კვანტური გამოთვლები.

სურათი 1: კვანტური კომუნიკაცია იშვიათმიწა ევროპიუმის მოლეკულურ კრისტალებზე დაყრდნობით

კვანტური მდგომარეობების გადაფარვა შესაძლებელია, ამიტომ კვანტური ინფორმაციაც შეიძლება გადაფაროს. ერთ კუბიტს შეუძლია ერთდროულად წარმოადგინოს სხვადასხვა მდგომარეობა 0-დან 1-მდე, რაც საშუალებას იძლევა მონაცემები პარალელურად დამუშავდეს ჯგუფურად. შედეგად, კვანტური კომპიუტერების გამოთვლითი სიმძლავრე ექსპონენციალურად გაიზრდება ტრადიციულ ციფრულ კომპიუტერებთან შედარებით. თუმცა, გამოთვლითი ოპერაციების შესასრულებლად, კუბიტების სუპერპოზიცია გარკვეული პერიოდის განმავლობაში სტაბილურად უნდა შენარჩუნდეს. კვანტურ მექანიკაში სტაბილურობის ეს პერიოდი ცნობილია, როგორც კოჰერენტული სიცოცხლის ხანგრძლივობა. რთული მოლეკულების ბირთვული სპინები შეიძლება მიაღწიონ სუპერპოზიციურ მდგომარეობებს ხანგრძლივი მშრალი სიცოცხლის ხანგრძლივობით, რადგან გარემოს გავლენა ბირთვულ სპინებზე ეფექტურად არის დაცული.

იშვიათმიწა იონები და მოლეკულური კრისტალები ორი სისტემაა, რომლებიც გამოიყენება კვანტურ ტექნოლოგიაში. იშვიათმიწა იონებს აქვთ შესანიშნავი ოპტიკური და სპინური თვისებები, მაგრამ მათი ინტეგრირება რთულია.ოპტიკური მოწყობილობებიმოლეკულური კრისტალების ინტეგრირება უფრო ადვილია, მაგრამ სპინსა და სინათლეს შორის საიმედო კავშირის დამყარება რთულია, რადგან გამოსხივების ზოლები ძალიან ფართოა.

ამ ნაშრომში შემუშავებული იშვიათმიწა მოლეკულური კრისტალები იდეალურად აერთიანებს ორივეს უპირატესობას იმით, რომ ლაზერული აგზნების ქვეშ, Eu³+-ს შეუძლია გამოსხივოს ფოტონები, რომლებიც შეიცავს ინფორმაციას ბირთვული სპინის შესახებ. კონკრეტული ლაზერული ექსპერიმენტების საშუალებით შესაძლებელია ეფექტური ოპტიკური/ბირთვული სპინის ინტერფეისის გენერირება. ამის საფუძველზე, მკვლევარებმა შემდგომში მიაღწიეს ბირთვული სპინის დონის მისამართებას, ფოტონების კოჰერენტულ შენახვას და პირველი კვანტური ოპერაციის შესრულებას.

ეფექტური კვანტური გამოთვლებისთვის, როგორც წესი, საჭიროა მრავალი ჩახლართული კუბიტი. მკვლევრებმა აჩვენეს, რომ ზემოთ აღნიშნულ მოლეკულურ კრისტალებში Eu³+-ს შეუძლია კვანტური ჩახლართულობის მიღწევა ელექტრული ველის შეერთების გზით, რითაც კვანტური ინფორმაციის დამუშავება შესაძლებელია. რადგან მოლეკულური კრისტალები შეიცავს მრავალ იშვიათმიწა იონს, შესაძლებელია შედარებით მაღალი კუბიტების სიმკვრივის მიღწევა.

კვანტური გამოთვლების კიდევ ერთი მოთხოვნაა ცალკეული კუბიტების მიმართვადობა. ამ ნაშრომში გამოყენებული ოპტიკური მიმართვის ტექნიკა აუმჯობესებს წაკითხვის სიჩქარეს და ხელს უშლის წრედის სიგნალის ჩარევას. წინა კვლევებთან შედარებით, ამ ნაშრომში აღწერილი Eu³ + მოლეკულური კრისტალების ოპტიკური კოჰერენტობა დაახლოებით ათასჯერ არის გაუმჯობესებული, ისე, რომ ბირთვის სპინური მდგომარეობების ოპტიკურად მანიპულირება შესაძლებელია სპეციფიკური გზით.

ოპტიკური სიგნალები ასევე შესაფერისია კვანტური ინფორმაციის დიდ მანძილზე გავრცელებისთვის, რათა დააკავშირონ კვანტური კომპიუტერები დისტანციური კვანტური კომუნიკაციისთვის. დამატებითი განხილვა შეიძლება მიექცეს ახალი Eu³+ მოლეკულური კრისტალების ფოტონურ სტრუქტურაში ინტეგრაციას მანათობელი სიგნალის გასაძლიერებლად. ეს ნაშრომი იყენებს იშვიათმიწა მოლეკულებს კვანტური ინტერნეტის საფუძვლად და მნიშვნელოვან ნაბიჯს დგამს მომავალი კვანტური კომუნიკაციის არქიტექტურისკენ.