Будь то при разработке лекарств, коммуникации или для прогнозирования 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 равно либо 0, либо 1 - между ними ничего нет. Это серьезно ограничивает производительность цифровых компьютеров, и становится все труднее и отнимает много времени для решения сложных проблем, связанных с реальными задачами. Квантовые компьютеры, с другой стороны, используют квантовые биты для обработки информации. Квантовый бит (кубит) может находиться во многих различных состояниях от 0 до 1 одновременно благодаря особому квантовомеханическому свойству, называемому квантовой суперпозицией. Это позволяет обрабатывать данные параллельно, что увеличивает вычислительную мощность квантовых компьютеров в геометрической прогрессии по сравнению с цифровыми компьютерами.

Состояния суперпозиции кубитов должны сохраняться достаточно долго

"Для разработки практически применимых квантовых компьютеров состояния суперпозиции кубита должны сохраняться в течение достаточно длительного времени. Исследователи говорят о "сроке службы когерентности", - объясняет профессор Марио Рубен, руководитель исследовательской группы молекулярных материалов в Институте нанотехнологий КИТ (INT). "Однако состояния суперпозиции кубита хрупки и нарушаются флуктуациями в окружающей среде, что приводит к декогеренции, то есть сокращению времени жизни когерентности". Чтобы сохранить состояние суперпозиции достаточно долго для вычислительных операций, можно изолировать кубит от шумной среды. Уровни ядерных спинов в молекулах могут быть использованы для создания состояний суперпозиции с длительным временем жизни когерентности, поскольку ядерные спины слабо связаны с окружающей средой, защищая состояния суперпозиции кубита от возмущающих внешних воздействий.

Молекулы Идеально Подходят В Качестве Кубитных Систем

Однако одного кубита недостаточно для создания квантового компьютера. Требуется организовать и адресовать множество кубитов. Молекулы представляют собой идеальные кубитные системы, поскольку они могут быть расположены в достаточно большом количестве как идентичные масштабируемые единицы и могут быть адресованы светом для выполнения кубитных операций. Кроме того, физические свойства молекул, такие как эмиссионные и /или магнитные свойства, могут быть адаптированы путем изменения их структур с использованием принципов химического проектирования. В своей статье, опубликованной сейчас в журнале Сообщения о природе Исследователи во главе с профессором Марио Рубеном из IQMT KIT и Страсбургского Европейского центра квантовых наук - CESQ и доктором Филиппом Голднером из Высшей национальной школы химии Парижа (Chimie ParisTech / CNRS) представляют димерную молекулу европия (III), содержащую ядерный спин, в виде кубита, адресуемого свету.

Молекула, которая относится к редкоземельным металлам, предназначена для проявления люминесценции, то есть сенсибилизированного излучения, ориентированного на европий (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 до основного состояния приводит к излучению света. Весь процесс называется сенсибилизированной люминесценцией. Спектральное прожигание дыр - специальные эксперименты с лазерами - обнаруживают поляризацию уровней ядерного спина, указывая на создание эффективной границы раздела свет-ядерный спин. Последнее позволяет генерировать сверхтонкие кубиты, адресуемые свету, на основе уровней ядерного спина. "Впервые продемонстрировав спиновую поляризацию, вызванную светом, в молекуле европия (III), нам удалось сделать многообещающий шаг на пути к разработке архитектур квантовых вычислений на основе молекул, содержащих редкоземельные ионы", - объясняет доктор Филипп Голднер.