近日，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)基于稀土銪的新材料，具有開拓光量子系統(tǒng)的潛力。
在量子系統(tǒng)中，材料與光交互的能力將提供重要作用，例如應(yīng)用于遠(yuǎn)距離通信和開發(fā)光量子計(jì)算機(jī)。然而，要找到一種能夠充分利用光量子特性的材料非常困難。
此次，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心、斯特拉斯堡大學(xué)、德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院和法國(guó)巴黎國(guó)立高等化工學(xué)校的科學(xué)家展開合作研究，成功證明了銪分子晶體在量子通信和處理器方面的價(jià)值：銪分子晶體具有超窄的光學(xué)躍遷，可以實(shí)現(xiàn)與光的最佳交互作用。相關(guān)成果發(fā)表在《自然》(Nature)期刊。
為了執(zhí)行量子計(jì)算，一個(gè)量子比特的疊加狀態(tài)必須持續(xù)一段時(shí)間，這稱為相干時(shí)間。核自旋在分子中可以使量子疊加態(tài)具有較長(zhǎng)的相干時(shí)間，因?yàn)楹俗孕梢暂^好地屏蔽環(huán)境干擾，保護(hù)量子位免受環(huán)境影響。
“在實(shí)際應(yīng)用中，我們必須能夠存儲(chǔ)、處理和傳輸量子態(tài)，”斯特拉斯堡大學(xué)歐洲量子科學(xué)中心(CESQ)Mario Ruben教授說，“我們現(xiàn)在已經(jīng)確定了一種具有前景的新材料：包含核自旋的銪分子。銪屬于稀土金屬。”
據(jù)悉，稀土晶體具有出色的光學(xué)與自旋特性，但它們?cè)诠庾悠骷械募墒謴?fù)雜。一般分子系統(tǒng)要么缺少自旋，要么光學(xué)線寬太寬，無法在自旋與光之間建立可靠的聯(lián)系。
因此，研究人員通過稀土離子和分子體系結(jié)合生成銪分子晶體，以突破這一困難。銪分子晶體的光學(xué)線寬極窄，只在幾萬赫茲范圍內(nèi)，比其它分子系統(tǒng)都更窄。團(tuán)隊(duì)利用這一特性演示了在銪分子晶體中，通過原子頻率梳進(jìn)行光的相干存儲(chǔ)，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子的光學(xué)控制。
團(tuán)隊(duì)采用光學(xué)尋址技術(shù)，提高了讀出速度，防止了電信號(hào)的干擾。頻率的分離允許對(duì)多個(gè)分子分別定位，這項(xiàng)研究在分子材料中達(dá)到了超過此前1000倍的光學(xué)相干性。通過這種方式，核自旋態(tài)能夠以一種特定的方式被光學(xué)操縱。
光子也適合在更大的距離上傳輸量子信息，以連接量子計(jì)算機(jī)或安全地傳輸信息。研究人員表示，這也許可以通過在光子結(jié)構(gòu)中整合新的銪分子來實(shí)現(xiàn)，以增強(qiáng)光學(xué)躍遷。
目前，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)科學(xué)院應(yīng)用物理系Mikael Afzelius團(tuán)隊(duì)已成功使用摻有稀土銪的晶體，將一個(gè)量子比特存儲(chǔ)在該晶體內(nèi)長(zhǎng)達(dá)20毫秒，為遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。
標(biāo)簽： 光量子系統(tǒng)
