Et nyt lys-spin-interface med europium(III)-molekyle fremmer udviklingen af ​​kvantecomputere

Lys kan bruges til at betjene kvanteinformationsbehandlingssystemer, f.eks. kvantecomputere, hurtigt og effektivt. Forskere ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og Chimie ParisTech/CNRS har nu markant fremme udviklingen af ​​molekylebaserede materialer, der er egnede til brug som lysadresserbare fundamentale kvanteenheder. Som de beretter i journalen Naturkommunikation , de har for første gang demonstreret muligheden for at adressere nukleare spin-niveauer i et molekylært kompleks af europium(III) sjældne jordarters ioner med lys.

Uanset om det er i lægemiddeludvikling, meddelelse, eller for klimaprognoser:Hurtig og effektiv behandling af information er afgørende på mange områder. Det gøres i øjeblikket ved hjælp af digitale computere, som arbejder med såkaldte bits. En bits tilstand er enten 0 eller 1 - der er intet imellem. Dette begrænser kraftigt digitale computeres ydeevne, og det bliver stadig sværere og mere tidskrævende at håndtere komplekse problemer relateret til opgaver i den virkelige verden. kvantecomputere, på den anden side, bruge kvantebits til at behandle information. En kvantebit (qubit) kan være i mange forskellige tilstande mellem 0 og 1 samtidigt på grund af en særlig kvantemekanisk egenskab kaldet kvantesuperposition. Dette gør det muligt at behandle data parallelt, hvilket øger kvantecomputeres regnekraft eksponentielt sammenlignet med digitale computere.

Qubit Superposition Stater er påkrævet for at vare længe nok

"For at udvikle praktisk anvendelige kvantecomputere, superpositionstilstandene for en qubit bør vare ved i tilstrækkelig lang tid. Forskere taler om 'kohærens levetid, '" forklarer professor Mario Ruben, leder af forskningsgruppen Molecular Materials ved KIT's Institute of Nanotechnology (INT). "Imidlertid, en qubits superpositionstilstande er skrøbelige og forstyrres af udsving i miljøet, som fører til usammenhæng, dvs. afkortning af kohærenslevetiden." For at bevare superpositionstilstanden længe nok til beregningsoperationer, at isolere en qubit fra det støjende miljø er tænkeligt. Nukleare spin-niveauer i molekyler kan bruges til at skabe superpositionstilstande med lang sammenhængende levetid, fordi nukleare spins er svagt koblet til miljøet, at beskytte superpositionstilstandene af en qubit mod forstyrrende ydre påvirkninger.

Molekyler er ideelt egnet som Qubit-systemer

En enkelt qubit, imidlertid, er ikke nok til at bygge en kvantecomputer. Der kræves mange qubits, der skal organiseres og adresseres. Molekyler repræsenterer ideelle qubit-systemer, da de kan arrangeres i tilstrækkeligt stort antal som identiske skalerbare enheder og kan adresseres med lys for at udføre qubit-operationer. Ud over, molekylers fysiske egenskaber, såsom emission og/eller magnetiske egenskaber, kan skræddersyes ved at ændre deres strukturer ved hjælp af kemiske designprincipper. I deres papir nu offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , forskere ledet af professor Mario Ruben ved KIT's IQMT og Strasbourgs europæiske center for kvantevidenskab - CESQ og Dr. Philippe Goldner ved École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie ParisTech/CNRS) præsenterer et nuklear-spin-holdigt dimerisk europium(III) ) molekyle som lysadresserbar qubit.

Molekylet, som hører til de sjældne jordarters metaller, er designet til at udvise luminescens, dvs. en europium(III)-centreret sensibiliseret emission, når det exciteres af ultraviolet lysabsorberende ligander, der omgiver midten. Efter lysabsorption, liganderne overfører lysenergien til europium(III)-centret, derved spændende det. Afslapning af det exciterede center til grundtilstanden fører til lysudsendelse. Hele processen omtales som sensibiliseret luminescens. Spektral hulafbrænding - særlige eksperimenter med lasere - detekterer polariseringen af ​​de nukleare spin-niveauer, indikerer genereringen af ​​en effektiv let-nuklear spin-grænseflade. Sidstnævnte muliggør generering af lysadresserbare hyperfine qubits baseret på nukleare spin-niveauer. "Ved at demonstrere for første gang lys-induceret spin-polarisering i europium(III)-molekylet, det er lykkedes os at tage et lovende skridt mod udviklingen af ​​kvanteberegningsarkitekturer baseret på sjældne jordarters ionholdige molekyler, " forklarer Dr. Philippe Goldner.