Licht kan worden gebruikt om kwantuminformatieverwerkingssystemen te bedienen, bijv. kwantumcomputers, snel en efficiënt. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en Chimie ParisTech/CNRS hebben de ontwikkeling van op moleculen gebaseerde materialen die geschikt zijn voor gebruik als licht-adresseerbare fundamentele kwantumeenheden aanzienlijk verbeterd. Zoals ze rapporteren in het journaal Natuurcommunicatie , ze hebben voor het eerst de mogelijkheid aangetoond om kernspinniveaus van een moleculair complex van europium (III) zeldzame-aarde-ionen met licht aan te pakken.

Of het nu gaat om de ontwikkeling van medicijnen, communicatie, of voor klimaatvoorspellingen:het snel en efficiënt verwerken van informatie is op veel gebieden cruciaal. Het wordt momenteel gedaan met behulp van digitale computers, die werken met zogenaamde bits. De toestand van een bit is 0 of 1 - er zit niets tussenin. Dit beperkt de prestaties van digitale computers ernstig, en het wordt steeds moeilijker en tijdrovender om complexe problemen met betrekking tot taken in de echte wereld aan te pakken. Kwantumcomputers, anderzijds, gebruik kwantumbits om informatie te verwerken. Een kwantumbit (qubit) kan tegelijkertijd in veel verschillende toestanden tussen 0 en 1 zijn vanwege een speciale kwantummechanische eigenschap die kwantumsuperpositie wordt genoemd. Dit maakt het mogelijk om gegevens parallel te verwerken, waardoor de rekenkracht van kwantumcomputers exponentieel toeneemt in vergelijking met digitale computers.

Qubit-superpositiestaten moeten lang genoeg bestaan

"Om praktisch toepasbare kwantumcomputers te ontwikkelen, de superpositietoestanden van een qubit zouden voldoende lang moeten aanhouden. Onderzoekers spreken van 'coherentie levensduur, '" legt professor Mario Ruben uit, hoofd van de onderzoeksgroep Molecular Materials van het KIT Institute of Nanotechnology (INT). "Echter, de superpositietoestanden van een qubit zijn kwetsbaar en worden verstoord door fluctuaties in de omgeving, wat leidt tot decoherentie, d.w.z. verkorting van de levensduur van de coherentie." Om de superpositietoestand lang genoeg te behouden voor computationele bewerkingen, het isoleren van een qubit van de lawaaierige omgeving is denkbaar. Kernspinniveaus in moleculen kunnen worden gebruikt om superpositietoestanden te creëren met een lange coherentielevensduur omdat kernspins zwak gekoppeld zijn aan de omgeving, het beschermen van de superpositietoestanden van een qubit tegen storende externe invloeden.

Moleculen zijn bij uitstek geschikt als Qubit-systemen

Een enkele qubit, echter, is niet genoeg om een ​​kwantumcomputer te bouwen. Er zijn veel qubits nodig die georganiseerd en geadresseerd moeten worden. Moleculen vertegenwoordigen ideale qubit-systemen omdat ze in voldoende grote aantallen als identieke schaalbare eenheden kunnen worden gerangschikt en met licht kunnen worden aangesproken om qubit-bewerkingen uit te voeren. In aanvulling, de fysieke eigenschappen van moleculen, zoals emissie en/of magnetische eigenschappen, kunnen worden aangepast door hun structuren te veranderen met behulp van chemische ontwerpprincipes. In hun paper nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , onderzoekers onder leiding van professor Mario Ruben van het IQMT van het KIT en het European Centre for Quantum Sciences van Straatsburg - CESQ en Dr. Philippe Goldner van de École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie ParisTech/CNRS) presenteren een nucleair spin-bevattend dimere europium(III) ) molecuul als lichtadresseerbare qubit.

het molecuul, die behoort tot de zeldzame aardmetalen, is ontworpen om luminescentie te vertonen, d.w.z., een europium(III)-gecentreerde gesensibiliseerde emissie, wanneer geëxciteerd door ultraviolet licht-absorberende liganden die het centrum omringen. Na lichtabsorptie, de liganden brengen de lichtenergie over naar het europium(III)-centrum, daardoor spannend. Ontspanning van het aangeslagen centrum naar de grondtoestand leidt tot lichtemissie. Het hele proces wordt gesensibiliseerde luminescentie genoemd. Spectrale gatenverbranding - speciale experimenten met lasers - detecteren de polarisatie van de kernspinniveaus, wat de generatie aangeeft van een efficiënte licht-nucleaire spin-interface. Dit laatste maakt het genereren van licht-adresseerbare hyperfijne qubits mogelijk op basis van nucleaire spin-niveaus. "Door voor de eerste keer door licht geïnduceerde spinpolarisatie in het europium(III)-molecuul aan te tonen, we zijn erin geslaagd een veelbelovende stap te zetten in de richting van de ontwikkeling van kwantumcomputerarchitecturen op basis van zeldzame-aarde-ionen bevattende moleculen, " legt Dr. Philippe Goldner uit.