კვანტური კომუნიკაცია: მოლეკულები, იშვიათი მიწები და ოპტიკური

კვანტური საინფორმაციო ტექნოლოგია არის ახალი საინფორმაციო ტექნოლოგია, რომელიც დაფუძნებულია კვანტურ მექანიკაზე, რომელიც კოდირებს, გამოთვლის და გადასცემს ფიზიკურ ინფორმაციას, რომელიც შეიცავსკვანტური სისტემა. კვანტური საინფორმაციო ტექნოლოგიების განვითარება და გამოყენება მიგვიყვანს „კვანტურ ეპოქაში“ და გავაცნობიეროთ მუშაობის უფრო მაღალი ეფექტურობა, უფრო უსაფრთხო კომუნიკაციის მეთოდები და უფრო მოსახერხებელი და მწვანე ცხოვრების წესი.

კვანტურ სისტემებს შორის კომუნიკაციის ეფექტურობა დამოკიდებულია მათ უნარზე სინათლესთან ურთიერთობისას. თუმცა, ძალიან რთულია ისეთი მასალის პოვნა, რომელსაც შეუძლია სრულად ისარგებლოს ოპტიკური კვანტური თვისებებით.

ახლახან, პარიზის ქიმიის ინსტიტუტის მკვლევარმა ჯგუფმა და კარლსრუეს ტექნოლოგიის ინსტიტუტმა ერთად აჩვენეს მოლეკულური კრისტალის პოტენციალი, რომელიც დაფუძნებულია იშვიათი დედამიწის ევროპიუმის იონებზე (Eu³ +) ოპტიკური კვანტური სისტემების გამოსაყენებლად. მათ აღმოაჩინეს, რომ ამ Eu³ + მოლეკულური კრისტალის ულტრა ვიწრო ხაზის სიგანის ემისია იძლევა ეფექტურ ურთიერთქმედებას სინათლესთან და აქვს მნიშვნელოვანი მნიშვნელობაკვანტური კომუნიკაციადა კვანტური გამოთვლები.

სურათი 1: კვანტური კომუნიკაცია, რომელიც ეფუძნება იშვიათი დედამიწის ევროპიუმის მოლეკულურ კრისტალებს

კვანტური მდგომარეობები შეიძლება იყოს ზედმეტად, ასე რომ, კვანტური ინფორმაცია შეიძლება იყოს ზედმეტად. ერთ კუბიტს შეუძლია ერთდროულად წარმოადგინოს სხვადასხვა მდგომარეობა 0-დან 1-მდე, რაც საშუალებას აძლევს მონაცემთა პარალელურად დამუშავებას ჯგუფურად. შედეგად, კვანტური კომპიუტერების გამოთვლითი სიმძლავრე ექსპონენტურად გაიზრდება ტრადიციულ ციფრულ კომპიუტერებთან შედარებით. თუმცა, გამოთვლითი ოპერაციების შესასრულებლად, კუბიტების სუპერპოზიცია უნდა იყოს სტაბილურად გარკვეული დროის განმავლობაში. კვანტურ მექანიკაში სტაბილურობის ეს პერიოდი ცნობილია როგორც თანმიმდევრული სიცოცხლის ხანგრძლივობა. რთული მოლეკულების ბირთვულ სპინებს შეუძლიათ მიაღწიონ სუპერპოზიციურ მდგომარეობებს ხანგრძლივი მშრალი სიცოცხლის ხანგრძლივობით, რადგან გარემოს გავლენა ბირთვულ ტრიალებზე ეფექტურად არის დაცული.

იშვიათი დედამიწის იონები და მოლეკულური კრისტალები არის ორი სისტემა, რომლებიც გამოიყენება კვანტურ ტექნოლოგიაში. იშვიათი დედამიწის იონებს აქვთ შესანიშნავი ოპტიკური და სპინური თვისებები, მაგრამ მათი ინტეგრირება რთულიაოპტიკური მოწყობილობები. მოლეკულური კრისტალების ინტეგრირება უფრო ადვილია, მაგრამ ძნელია საიმედო კავშირის დამყარება სპიინსა და შუქს შორის, რადგან ემისიის ზოლები ძალიან ფართოა.

ამ ნაშრომში შემუშავებული იშვიათი დედამიწის მოლეკულური კრისტალები კარგად აერთიანებს ორივეს უპირატესობას იმით, რომ ლაზერული აგზნების პირობებში Eu³ +-ს შეუძლია ასხივოს ფოტონები, რომლებიც ატარებენ ინფორმაციას ბირთვული სპინის შესახებ. სპეციფიური ლაზერული ექსპერიმენტების მეშვეობით შესაძლებელია ეფექტური ოპტიკური/ბირთვული სპინის ინტერფეისის გენერირება. ამის საფუძველზე, მკვლევარებმა შემდგომში გააცნობიერეს ბირთვული სპინის დონის მისამართი, ფოტონების თანმიმდევრული შენახვა და პირველი კვანტური ოპერაციის შესრულება.

ეფექტური კვანტური გამოთვლებისთვის, ჩვეულებრივ, საჭიროა მრავალი ჩახლართული კუბიტი. მკვლევარებმა აჩვენეს, რომ Eu³ + ზემოხსენებულ მოლეკულურ კრისტალებში შეუძლია მიაღწიოს კვანტურ ჩახლართვას მაწანწალა ელექტრული ველის შეერთების გზით, რაც საშუალებას აძლევს კვანტურ ინფორმაციის დამუშავებას. იმის გამო, რომ მოლეკულური კრისტალები შეიცავს იშვიათ დედამიწის იონებს, შედარებით მაღალი კუბიტის სიმკვრივის მიღწევა შესაძლებელია.

კვანტური გამოთვლის კიდევ ერთი მოთხოვნა არის ცალკეული კუბიტების მისამართითობა. ამ ნამუშევარში ოპტიკური მისამართის ტექნიკას შეუძლია გააუმჯობესოს წაკითხვის სიჩქარე და თავიდან აიცილოს მიკროსქემის სიგნალის ჩარევა. წინა კვლევებთან შედარებით, ამ ნაშრომში მოხსენებული Eu³ + მოლეკულური კრისტალების ოპტიკური თანმიმდევრულობა გაუმჯობესებულია დაახლოებით ათასჯერ, ასე რომ ბირთვული სპინის მდგომარეობების ოპტიკური მანიპულირება შესაძლებელია კონკრეტული გზით.

ოპტიკური სიგნალები ასევე შესაფერისია შორ მანძილზე კვანტური ინფორმაციის განაწილებისთვის კვანტური კომპიუტერების დასაკავშირებლად დისტანციური კვანტური კომუნიკაციისთვის. შემდგომი განხილვა შეიძლება მიეცეს ახალი Eu³ + მოლეკულური კრისტალების ინტეგრაციას ფოტონიკურ სტრუქტურაში მანათობელი სიგნალის გასაძლიერებლად. ეს ნამუშევარი იყენებს იშვიათი დედამიწის მოლეკულებს, როგორც კვანტური ინტერნეტის საფუძველს და გადადგამს მნიშვნელოვან ნაბიჯს მომავალი კვანტური კომუნიკაციის არქიტექტურისკენ.