稀土展示量子技術的前景

法國和德國的巴黎科技大學、國家科學研究中心、斯特拉斯堡大學和卡爾斯魯厄理工學院的一個研究小組發現了一種用光處理量子資訊的新型材料：一種稀土（REE）銪分子晶體，它含有可以進行量子技術的力學糾纏的核自旋。

銪因其是週期表中鑭系元素中最活躍的成員而聞名（63）。REE分子晶體對研究人員來說很有吸引力，因為它們可以以原子級的精度進行化學工程。

“這意味著我們可以選擇材料組成和圍繞REE離子的原子的精確排列，”法國國家科學研究中心的研究員Diana Serrano說，“這打開了微調REE離子特性的大門。”

稀土銪通過鐳射激發表現出發光，發射出攜帶核旋資訊的光子。分子內的核自旋，原子核的角動量能夠使疊加態具有較長的相干壽命，因為核自旋被遮罩在環境之外，保護量子比特（qubits）不受外界影響。

量子操作需要眾多的量子比特通過量子力學進行糾纏，該團隊的工作表明分子內的銪離子可以通過電雜散場進行耦合，這使得未來的糾纏和量子資訊處理成為可能。他們的工作還包括在光子的幫助下解決核自旋水準，光子的相干存儲，以及量子操作。

據該團隊稱，光學定址增加了讀出速度，並可用於防止干擾的電饋。與以前的項目相比，他們報告說在分子材料中的光相干性提高了1000倍，這要歸功於以特定方式對核自旋狀態進行的光學操縱。

這項工作的主要光學原理涉及從雷射脈衝到原子轉變的光相干態的存儲，在這種情況下。Serrano解釋說：“這種光相干態成為銪轉變的基態和激發態之間的一個量子疊加。”

一旦疊加狀態被創造出來，它就可以以材料發出的光脈衝的形式恢復，該光脈衝帶有初始輸入脈衝的資訊。“這就是光量子記憶體的工作原理，而從這個存儲-恢復過程中，我們可以提取有關量子存儲時間或效率的資訊，”Serrano說。

設計良好的量子材料的最大挑戰之一是需要長期存儲，同時還要有高密度的量子比特和它們之間的強相互作用。

Serrano說：“在單一系統內做到這一點非常困難，因為強相互作用往往不利於存儲時間，這種材料最酷的方面之一是它可以有非常高的量子比特密度，所有的量子比特都是相同的，並且在一個明確的位置，同時仍然保持很長的光存儲時間。還有改進的餘地，還有許多其他的分子成分需要測試，但是這些材料看起來非常有希望。”

“光量子技術的一個重要挑戰是能夠解決單一REE離子，銪的發射率非常低，它從未被單獨處理和檢測過。"、克服這一挑戰的方法是通過將光過渡與光子結構或光腔耦合，從而能夠提高離子發射率。這種方法已經成功應用於鉺，另一種發射率非常低的稀土離子，”Serrano說。

研究人員現在瞄準的主要應用是量子計算和量子通信。塞拉諾認為未來有很大的改進空間，還有許多其他分子成分需要合成和測試。

她說：“探索含有除銪以外的其他REE離子的分子將是有趣的，因為鑭系中的每一種稀土都呈現出不同的過渡波長，也有不同的自旋特性，這對量子技術來說是另一個重要的維度，因為它允許更長的存儲時間。我們還設想了分子與光子結構的有效耦合。”

• < 前一頁
• 下一個 >