Ljus kan användas för att driva system för kvantinformationsbehandling, t.ex. kvantdatorer, snabbt och effektivt. Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och Chimie ParisTech/CNRS har nu avsevärt avancerat utvecklingen av molekylbaserade material som är lämpliga för användning som ljusadresserbara grundläggande kvantenheter. Som de rapporterar i tidningen Naturkommunikation , de har för första gången visat möjligheten att ta itu med nukleära centrifugeringsnivåer i ett molekylkomplex av europium (III) sällsynta jordjoner med ljus.

Oavsett om det gäller läkemedelsutveckling, kommunikation, eller för klimatprognoser:Att bearbeta information snabbt och effektivt är avgörande på många områden. Det görs för närvarande med digitala datorer, som fungerar med så kallade bitar. Tillståndet för en bit är antingen 0 eller 1 - det finns inget däremellan. Detta begränsar kraftigt digitala dators prestanda, och det blir allt svårare och mer tidskrävande att hantera komplexa problem relaterade till verkliga uppgifter. Kvantdatorer, å andra sidan, använda kvantbitar för att bearbeta information. En kvantbit (kvbit) kan vara i många olika tillstånd mellan 0 och 1 samtidigt på grund av en speciell kvantmekanisk egenskap som kallas kvantöverlagring. Detta gör det möjligt att bearbeta data parallellt, vilket ökar datakraften hos kvantdatorer exponentiellt jämfört med digitala datorer.

Qubit Superposition Stater krävs för att bestå tillräckligt länge

"För att utveckla praktiskt tillämpbara kvantdatorer, superpositionstillstånden för en qubit bör kvarstå under tillräckligt lång tid. Forskare talar om 'koherenslivstid, '" förklarar professor Mario Ruben, chef för forskargruppen Molecular Materials vid KIT's Institute of Nanotechnology (INT). "Dock, superpositionstillstånden för en qubit är ömtåliga och störs av fluktuationer i miljön, vilket leder till dekoherens, d.v.s. förkortning av koherenslivslängden." För att bevara superpositionstillståndet tillräckligt länge för beräkningsoperationer, man kan tänka sig att isolera en qubit från den bullriga miljön. Nukleära centrifugeringsnivåer i molekyler kan användas för att skapa superpositionstillstånd med lång livslängd eftersom kärnkraftspinn är svagt kopplade till miljön, skydda superpositionstillstånden för en qubit från störande yttre påverkan.

Molekyler är idealiskt lämpade som Qubit-system

En enda qubit, dock, är inte tillräckligt för att bygga en kvantdator. Många qubits som ska organiseras och adresseras krävs. Molekyler representerar idealiska qubit-system eftersom de kan arrangeras i tillräckligt stort antal som identiska skalbara enheter och kan adresseras med ljus för att utföra qubit-operationer. Dessutom, molekylernas fysikaliska egenskaper, såsom utsläpp och/eller magnetiska egenskaper, kan skräddarsys genom att ändra sina strukturer med kemiska designprinciper. I deras papper som nu publicerats i tidskriften Naturkommunikation , forskare under ledning av professor Mario Ruben vid KIT:s IQMT och Strasbourgs europeiska centrum för kvantvetenskaper-CESQ och Dr. Philippe Goldner vid École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie ParisTech/CNRS) presenterar ett kärnkraftsspinninnehållande dimeriskt europium (III ) molekyl som ljusadresserbar qubit.

Molekylen, som tillhör de sällsynta jordartsmetallerna, är utformad för att uppvisa luminescens, d.v.s. ett europium (III) -centrerat sensibiliserat utsläpp, när de exciteras av ultraviolett ljusabsorberande ligander som omger mitten. Efter ljusabsorption, liganderna överför ljusenergin till europium (III) centrum, därmed spännande det. Avslappning av det exciterade centret till grundtillståndet leder till ljusemission. Hela processen kallas sensibiliserad luminescens. Spektral hålförbränning - speciella experiment med lasrar - detekterar polariseringen av kärnspinnivåerna, vilket indikerar genereringen av ett effektivt ljus-nukleärt snurrgränssnitt. Det senare möjliggör generering av ljusadresserbara hyperfina qubits baserat på kärnspinnnivåer. "Genom att demonstrera för första gången ljusinducerad spinnpolarisering i europium (III) -molekylen, vi har lyckats ta ett lovande steg mot utvecklingen av kvantberäkningsarkitekturer baserade på sällsynta jordhaltiga molekyler, "förklarar doktor Philippe Goldner.