稀土离子光展示量子技术的前景

法国和德国的巴黎科技大学、国家科学研究中心、斯特拉斯堡大学和卡尔斯鲁厄理工学院的一个研究小组发现了一种用光处理量子信息的新型材料：一种稀土（REE）铕分子晶体，它含有可以进行量子技术的力学纠缠的核自旋。

铕因其是周期表中镧系元素中最活跃的成员而闻名（63）。REE分子晶体对研究人员来说很有吸引力，因为它们可以以原子级的精度进行化学工程。

“这意味着我们可以选择材料组成和围绕REE离子的原子的精确排列，”法国国家科学研究中心的研究员Diana Serrano说，“这打开了微调REE离子特性的大门。”

稀土铕通过激光激发表现出发光，发射出携带核旋信息的光子。分子内的核自旋，原子核的角动量能够使叠加态具有较长的相干寿命，因为核自旋被屏蔽在环境之外，保护量子比特（qubits）不受外界影响。

量子操作需要众多的量子比特通过量子力学进行纠缠，该团队的工作表明分子内的铕离子可以通过电杂散场进行耦合，这使得未来的纠缠和量子信息处理成为可能。他们的工作还包括在光子的帮助下解决核自旋水平，光子的相干存储，以及量子操作。

据该团队称，光学寻址增加了读出速度，并可用于防止干扰的电馈。与以前的项目相比，他们报告说在分子材料中的光相干性提高了1000倍，这要归功于以特定方式对核自旋状态进行的光学操纵。

这项工作的主要光学原理涉及从激光脉冲到原子转变的光相干态的存储，在这种情况下。Serrano解释说：“这种光相干态成为铕转变的基态和激发态之间的一个量子叠加。”

一旦叠加状态被创造出来，它就可以以材料发出的光脉冲的形式恢复，该光脉冲带有初始输入脉冲的信息。“这就是光量子存储器的工作原理，而从这个存储-恢复过程中，我们可以提取有关量子存储时间或效率的信息，”Serrano说。

设计良好的量子材料的最大挑战之一是需要长期存储，同时还要有高密度的量子比特和它们之间的强相互作用。

Serrano说：“在单一系统内做到这一点非常困难，因为强相互作用往往不利于存储时间，这种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，并且在一个明确的位置，同时仍然保持很长的光存储时间。还有改进的余地，还有许多其他的分子成分需要测试，但是这些材料看起来非常有希望。”

“光量子技术的一个重要挑战是能够解决单一REE离子，铕的发射率非常低，它从未被单独处理和检测过。"、克服这一挑战的方法是通过将光过渡与光子结构或光腔耦合，从而能够提高离子发射率。这种方法已经成功应用于铒，另一种发射率非常低的稀土离子，”Serrano说。

研究人员现在瞄准的主要应用是量子计算和量子通信。塞拉诺认为未来有很大的改进空间，还有许多其他分子成分需要合成和测试。

她说：“探索含有除铕以外的其他REE离子的分子将是有趣的，因为镧系中的每一种稀土都呈现出不同的过渡波长，也有不同的自旋特性，这对量子技术来说是另一个重要的维度，因为它允许更长的存储时间。我们还设想了分子与光子结构的有效耦合。”

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