Будь то разработка лекарств, коммуникация или прогнозы климата: быстрая и эффективная обработка информации имеет решающее значение во многих областях. В настоящее время это делается с помощью цифровых компьютеров, которые работают с так называемыми битами.
Состояние бита либо 0, либо 1 – между ними ничего нет. Это серьезно ограничивает производительность цифровых компьютеров, и решение сложных проблем, связанных с реальными задачами, становится все труднее и отнимает много времени. Квантовые компьютеры, с другой стороны, используют квантовые биты для обработки информации.
Квантовый бит (кубит) может одновременно находиться во многих различных состояниях от 0 до 1 из-за особого квантово-механического свойства, называемого квантовой суперпозицией. Это позволяет обрабатывать данные параллельно, что экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантовых компьютеров по сравнению с цифровыми компьютерами.
Состояния суперпозиции кубитов должны сохраняться достаточно долго
«Чтобы разработать практически применимые квантовые компьютеры, суперпозиционные состояния кубита должны сохраняться в течение достаточно длительного времени.
Исследователи говорят о «продолжительности жизни когерентности», – объясняет профессор Марио Рубен, руководитель группы исследования молекулярных материалов Института нанотехнологий (INT) KIT. «Однако суперпозиционные состояния кубита хрупки и нарушаются флуктуациями в окружающей среде, что приводит к декогеренции, т.е.е. сокращение времени жизни когерентности."Чтобы сохранить состояние суперпозиции достаточно долго для вычислительных операций, возможно изолировать кубит от шумной среды. Уровни ядерных спинов в молекулах можно использовать для создания состояний суперпозиции с большими временами жизни когерентности, потому что ядерные спины слабо связаны с окружающей средой, защищая суперпозиционные состояния кубита от возмущающих внешних воздействий.
Молекулы идеально подходят в качестве кубитных систем
Однако одного кубита недостаточно для создания квантового компьютера.
Требуется много кубитов, которые нужно организовать и обработать. Молекулы представляют собой идеальные системы кубитов, поскольку они могут быть расположены в достаточно большом количестве как идентичные масштабируемые единицы и могут быть адресованы с помощью света для выполнения операций с кубитами. Кроме того, физические свойства молекул, такие как эмиссионные и / или магнитные свойства, могут быть адаптированы путем изменения их структуры с использованием принципов химического дизайна. В своей статье, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи под руководством профессора Марио Рубена из IQMT KIT и Страсбург´Европейский центр квантовых наук – CESQ и доктор.
Филипп Голднер из Ecole nationale superieure de chimie de Paris (Chimie ParisTech / CNRS) представляет димерную молекулу европия (III), содержащую ядерный спин, в виде светоадресуемого кубита.
Молекула, принадлежащая к редкоземельным металлам, предназначена для люминесценции, т.е.е., сенсибилизированное излучение с центром в европии (III) при возбуждении лигандами, поглощающими ультрафиолетовый свет, окружающими центр. После поглощения света лиганды передают световую энергию центру европия (III), тем самым возбуждая его.
Релаксация возбужденного центра в основное состояние приводит к излучению света. Весь процесс называется сенсибилизированной люминесценцией. Спектральное горение дыр – специальные эксперименты с лазерами – обнаруживают поляризацию ядерных спиновых уровней, что указывает на создание эффективного интерфейса между легким и ядерным спином.
Последний позволяет генерировать светоадресуемые сверхтонкие кубиты на основе ядерных спиновых уровней. «Впервые продемонстрировав индуцированную светом спиновую поляризацию в молекуле европия (III), нам удалось сделать многообещающий шаг в направлении разработки архитектур квантовых вычислений, основанных на молекулах, содержащих редкоземельные ионы», – объясняет доктор. Филипп Гольднер.