Molekyylikubitit voivat kommunikoida teletaajuuksilla

Chicagon, Kalifornia Berkeleyn yliopiston, Argonnen kansallisen laboratorion ja Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion tiedemiesryhmä on kehittänyt molekyylikubitteja, jotka kurovat umpeen valon ja magnetismin välisen kuilun ja lisäksi toimivat vieläpä samoilla taajuuksilla kuin televiestintäteknologia.

Science- lehdessä julkaistu edistysaskel luo lupaavan uuden rakennuspalikan skaalautuville kvanttiteknologioille, jotka voivat integroitua saumattomasti olemassa oleviin valokuituverkkoihin.

Koska uudet molekyylikubitit voivat olla vuorovaikutuksessa teletaajuusalueen taajuuksilla, työ viittaa tulevaisuuden kvanttiverkkoihin.

Kvantti-internetiksi kutsutut verkot voisivat mahdollistaa erittäin turvalliset viestintäkanavat, yhdistää kvanttitietokoneita pitkien etäisyyksien päähän ja hajauttaa kvanttisensoreita ennennäkemättömällä tarkkuudella.

Molekyylikubitit kun voisivat toimia erittäin herkkinä kvanttisensoreina; niiden pieni koko ja kemiallinen joustavuus tarkoittavat, että ne voitaisiin upottaa epätavallisiin ympäristöihin – kuten biologisiin järjestelmiin – magneettikenttien, lämpötilan tai paineen mittaamiseksi nanotasolla. Ja koska ne ovat yhteensopivia piifotoniikan kanssa, nämä molekyylit voitaisiin integroida suoraan siruihin, mikä tasoittaisi tietä kompakteille kvanttilaitteille, joita voitaisiin käyttää laskennassa, viestinnässä tai anturoinnissa.

Uusi molekyylikubitti sisältää erbiumia, jota käytetään sekä klassisissa teknologioissa että uusissa kvanttiteknologioissa, koska ne absorboivat ja emittoivat valoa erittäin "puhtaasti" suhteessa muihin alkuaineisiin, mutta ne ovat myös voimakkaassa vuorovaikutuksessa magneettikenttien kanssa.

"Nämä molekyylit voivat toimia nanomittakaavan siltana magnetismin ja optiikan välillä", sanoo Leah Weiss, Chicagon yliopiston (UChicago PME) postdoc-tutkija. "Informaatiota voitaisiin koodata molekyylin magneettiseen tilaan ja sitten käyttää valolla aallonpituuksilla, jotka ovat yhteensopivia optisten kuituverkkojen ja piifotonisten piirien kanssa."

Kvanttitasolla valon ja magnetismin välinen suhde on hienovarainen ja monimutkainen. Valo on usein tapa, jolla kvantti-informaatio välittyy ja luetaan; magnetismi on syvästi yhteydessä "spiniin", kvanttiominaisuuteen, joka on useiden kvanttiteknologioiden, kuten sensoreiden ja tietyntyyppisten kvanttitietokoneiden, taustalla.

Tämä työ rakentuu kahden alan, kvanttioptiikan – jonka sovelluksia ovat laserit ja kvanttiverkot – ja synteettisen kemian – joka vastaa magneettikuvauslaitteissa (MRI) käytettävistä varjoaineista – perustalle luodakseen molekyylitason rakennuspalikan, joka voi kuroa umpeen niiden välisen kuilun.

"Harvinaisten maametallien kemia tarjosi onnekkaan yhdistelmän ominaisuuksia, jotka mahdollistivat näiden ominaisuuksien tuomisen molekyylijärjestelmään", sanoi, PME:n jatko-opiskelija Grant Smith.

"Osoittamalla näiden erbiummolekyylikubittien monipuolisuuden otamme uuden askeleen kohti skaalautuvia kvanttiverkkoja, jotka voidaan kytkeä suoraan nykypäivän optiseen infrastruktuuriin", sanoi David Awschalom, Chicagon yliopiston professori ja tutkimuksen päätutkija.

"Olemme myös osoittaneet, että näillä atomisesti suunnitelluilla kubiteilla on monikubittiarkkitehtuureille tarvittavat ominaisuudet, mikä avaa oven laajalle kirjolle sovelluksia, mukaan lukien kvanttianturit ja hybridi-orgaanis-epäorgaaniset kvanttijärjestelmät."

Aiheesta aiemmin:

Fyysikot kvanttilomittavat yksittäisiä molekyylejä

Uusi alusta räätälöitäville kvanttilaitteille

Uusi vaihe kohti kvanttiteknologiaa