Команда учёных из Чикагского университета, Калифорнийского университета в Беркли, Аргоннской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли разработала молекулярные кубиты, которые соединяют свет и магнетизм и работают на тех же частотах, что и телекоммуникационные технологии. Это достижение, [опубликованное сегодня в Science], закладывает основу для новых масштабируемых квантовых технологий, которые могут легко интегрироваться с существующими волоконно-оптическими сетями.
Поскольку новые молекулярные кубиты могут взаимодействовать на частотах телекоммуникационного диапазона, работа указывает на будущее квантовых сетей, иногда называемых «квантовым интернетом». Такие сети могут обеспечить сверхзащищённые каналы связи, соединить квантовые компьютеры на больших расстояниях и распределить квантовые датчики с беспрецедентной точностью.
Молекулярные кубиты также могут служить высокочувствительными квантовыми датчиками. Их небольшой размер и химическая гибкость означают, что их можно встраивать в необычные среды, например, в [биологические системы], для измерения магнитных полей, температуры или давления в наномасштабе. А поскольку они совместимы с кремниевой фотоникой, эти молекулы можно интегрировать непосредственно в чипы, прокладывая путь для компактных квантовых устройств, которые можно использовать для вычислений, связи или зондирования.
Новый молекулярный кубит содержит эрбий — редкоземельный элемент. Редкоземельные элементы используются как в классических технологиях, так и в [новых квантовых технологиях], потому что они поглощают и излучают свет очень «чисто» по сравнению с другими элементами, но при этом сильно взаимодействуют с магнитными полями.
«Эти молекулы могут действовать как наноразмерный мост между миром магнетизма и миром оптики», — сказала Лия Вайс, постдокторант Чикагского университета в Школе молекулярной инженерии Прицкера (UChicago PME) и соавтор статьи. «Информация может быть закодирована в магнитном состоянии молекулы, а затем доступна с помощью света на длинах волн, совместимых с хорошо разработанными технологиями, лежащими в основе волоконно-оптических сетей и кремниевых фотонных схем».
На квантовом уровне взаимосвязь между светом и магнетизмом тонкая и сложная. Свет часто используется для передачи и считывания квантовой информации; магнетизм тесно связан со «спином» — уникальным квантовым свойством, лежащим в основе различных квантовых технологий, таких как датчики и некоторые типы квантовых компьютеров.
Эта работа основана на двух областях: [квантовой оптике] — с приложениями в лазерах и квантовых сетях — и синтетической химии — которая отвечает за контрастные вещества, используемые в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ) — чтобы создать молекулярный строительный блок, который может преодолеть разрыв между ними.
«Химия редкоземельных элементов обеспечила удачное сочетание свойств, которое позволило нам довести эти возможности до молекулярной системы», — сказал Грант Смит, аспирант PME и ещё один первый автор статьи. «Было много факторов, указывающих на то, что это захватывающая платформа для продвижения использования оптических степеней свободы в молекулярных спиновых кубитах. Одним из центральных направлений этой работы и работы в лаборатории в более широком смысле является то, что мы хотим действительно расширить диапазон квантовых систем и материалов, которыми мы можем управлять и с которыми можем взаимодействовать».
Используя [оптическую спектроскопию] и микроволновые технологии, команда продемонстрировала, что эрбиевые молекулярные кубиты используют частоты, совместимые с кремниевой фотоникой, которая используется в телекоммуникациях, высокопроизводительных вычислениях и продвинутых датчиках. Исследователи говорят, что эта совместимость с устоявшимися технологиями может ускорить разработку гибридных молекулярно-фотонных платформ для квантовых сетей.
«Демонстрируя универсальность этих эрбиевых молекулярных кубитов, мы делаем ещё один шаг к созданию масштабируемых квантовых сетей, которые могут напрямую подключаться к сегодняшней оптической инфраструктуре», — сказал Дэвид Ошцолом, профессор молекулярной инженерии и физики в Чикагском университете и главный исследователь исследования. «Мы также продемонстрировали, что эти атомарно сконструированные кубиты обладают возможностями, необходимыми для многокубитных архитектур, что открывает двери для широкого спектра приложений, включая квантовое зондирование и гибридные органические и неорганические квантовые системы».