澎湃新聞?dòng)浾?王蕙蓉
近日，科學(xué)家研究發(fā)覺(jué)基于稀土銪的新材料，具有開(kāi)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)距離通訊和開(kāi)發(fā)光量子計(jì)算機(jī)。然而，要找到一種才能充分利用光量子特點(diǎn)的材料特別困難。
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(kāi)合作研究量子通訊儲(chǔ)存，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》()期刊。
利用銪分子晶體開(kāi)拓量子估算系統(tǒng)的示意圖，圖片來(lái)自法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心
為了執(zhí)行量子估算，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(chēng)為相干時(shí)間。核載流子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)楹溯d流子可以較好地屏蔽環(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，我們必須才能儲(chǔ)存、處理和傳輸量子態(tài)量子通訊儲(chǔ)存，”斯特拉斯堡大學(xué)歐洲量子科學(xué)中心(CESQ)Mario Ruben院長(zhǎng)說(shuō)，“我們?nèi)缃裨缫汛_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?！?span style="display:none">B5V物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
據(jù)悉，稀土晶體具有出眾的光學(xué)與載流子特點(diǎn)，但它們?cè)诠庾釉械募蓸O其復(fù)雜。一般分子系統(tǒng)要么缺乏載流子，要么光學(xué)線寬太寬，無(wú)法在載流子與光之間構(gòu)建可靠的聯(lián)系。
因此，研究人員通過(guò)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(wàn)赫茲范圍內(nèi)，比其它分子系統(tǒng)都更窄。團(tuán)隊(duì)借助這一特點(diǎn)演示了在銪分子晶體中，通過(guò)原子頻度梳進(jìn)行光的相干儲(chǔ)存，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)輪詢技術(shù)，提高了讀出速率，防止了聯(lián)通號(hào)的干擾。頻率的分離容許對(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(guò)此前1000倍的光學(xué)相干性。通過(guò)這些方法，核自旋態(tài)才能以一種特定的形式被光學(xué)操縱。
光子也適宜在更大的距離上傳輸量子信息，以聯(lián)接量子計(jì)算機(jī)或安全地傳輸信息。研究人員表示，這或許可以通過(guò)在光子結(jié)構(gòu)中整合新的銪分子來(lái)實(shí)現(xiàn)，以提高光學(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 團(tuán)隊(duì)已成功使用摻有稀土銪的晶體，將一個(gè)量子比特存貯在該晶體內(nèi)歷時(shí)20毫秒，為遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。