Jony ziem rzadkich mogą utorować drogę do budowy sieci i pamięci kwantowych
Technologie kwantowe wykorzystują do kodowania i przesyłania informacji pewne osobliwe aspekty fizyki kwantowej, takie jak superpozycja (polegająca na tym, że cząstki mogą istnieć jednocześnie w dwóch różnych stanach kwantowych (kubity)), oraz splątanie, kiedy to cząstki dzielą swój stan kwantowy w sposób, który jest niemożliwy do osiągnięcia w klasycznych układach. Kubity to delikatne byty, które trzeba starannie odizolować od sił zewnętrznych, gdyż w przeciwnym razie kruchy stan superpozycji ulegnie dekoherencji do tradycyjnego stanu obliczeniowego – jedynki lub zera. Układy atomowe, takie jak pierwiastki ziem rzadkich w nanokryształach, dają możliwość generowania kubitów przy bardzo niskim poziomie szumu, a tym samym pozwalają na utrzymanie koherencji kwantowej niezbędnej w zastosowaniach kwantowych. „Jony ziem rzadkich w materiałach o skali makro mogą zachowywać koherencję optyczną i spinową przez długi czas. Wykazaliśmy, że ta wyjątkowa cecha jest w dużej mierze zachowywana w nanoskali”, wyjaśnia Philippe Goldner, koordynator finansowany przez UE NanOQTech. Aby przetestować swoją teorię, badacze zsyntetyzowali kryształy różnej wielkości z domieszką europu, prazeodymu i erbu i mierzyli czasy koherencji ich optycznych i spinowych stanów kwantowych. Według informacji podanych przez zespół, udało się uzyskać najdłuższe czasy koherencji optycznej, mianowicie 3 µs i 6 µs, w przypadku kryształów z domieszką europu o rozmiarach odpowiednio 60 nm i 100 nm.
Jony ziem rzadkich widzą światło
Głównym celem NanOQTech było zbudowanie nanoskalowych hybrydowych urządzeń kwantowych, które sprzęgają w sposób efektywny się ze światłem. „Dzięki długim czasom koherencji ich stanów kwantowych kubity ziem rzadkich sprzężone z mikrownękami mogą pełnić funkcję hybrydowych układów kwantowych, które mają szansę znaleźć szereg zastosowań w badaniach nad informacjami kwantowymi”, mówi Goldner. Aby można je było wykorzystać w zastosowaniach kwantowych, jony ziem rzadkich i mikrownęki muszą być utrzymywane w bardzo niskich (kriogenicznych) temperaturach. Zespół uzyskał sprzężenie kilku jonów ziem rzadkich z mikrownęką światłowodową w kriostatach o obiegu zamkniętym. Eksperyment przeprowadzony przez badaczy uczestniczących w projekcie NanOQTech wykazał, że potencjalnie możliwe jest uzyskanie komunikacji optycznej do pojedynczego jonu ziem rzadkich wewnątrz mikrownęki światłowodowej, co jest zjawiskiem o dużym znaczeniu dla kwantowego przechowywania informacji. Chociaż w projekcie nie udało się wykryć pojedynczego jonu we wnęce, uczeni zbadali, w jaki sposób silny efekt Purcella (czynniki Purcella wynoszące nawet 150) wzmacnia interakcję optyczną z 10 jonami ziem rzadkich. Ostatecznie badacze stworzyli układy hybrydowe, które mogą wchodzić w interakcję z jonami ziem rzadkich, dzięki czemu mogli wykorzystać przeniesione właściwości kwantowe, aby umożliwić uzyskanie nowych funkcji. „Jony ziem rzadkich mogą tworzyć kwantowy interfejs między światłem a innymi układami, w naszym przypadku plazmonami grafenowymi i oscylatorami mechanicznymi”, zauważa Goldner. W ramach projektu stworzono nanostruktury z domieszką jonów ziem rzadkich, stanowiące nową platformę dla optycznych technologii kwantowych. Opracowane podczas realizacji projektu NanOQTech nanocząsteczki odznaczają się nieosiągalnymi wcześniej czasami koherencji optycznych i spinowych stanów kwantowych. Prace te torują drogę do budowy sieci kwantowych, które będą przesyłać informacje poprzez kubity w ciele stałym. W porównaniu z kubitami w ciele stałym opartymi na atomowych defektach diamentów lub kropek kwantowych, kubity ziem rzadkich są bardziej trwałe i stabilne oraz mają duży potencjał jako skalowalne układy kwantowe.
Słowa kluczowe
NanOQTech, jon ziem rzadkich, koherencja, kubity w ciele stałym, sieć kwantowa, kwantowy stan spinowy, mikrownęka światłowodowa, kwantowe przechowywanie informacji, grafen, rezonatory mechaniczne
