近日，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)基于稀土銪的新材料，具有開拓光量子系統(tǒng)的潛力。

在量子系統(tǒng)中，材料與光交互的能力將提供重要作用，例如應(yīng)用于遠(yuǎn)距離通信和開發(fā)光量子計算機。然而，要找到一種能夠充分利用光量子特性的材料非常困難。

此次，法國國家科學(xué)研究中心、斯特拉斯堡大學(xué)、德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院和法國巴黎國立高等化工學(xué)校的科學(xué)家展開合作研究，成功證明了銪分子晶體在量子通信和處理器方面的價值：銪分子晶體具有超窄的光學(xué)躍遷，可以實現(xiàn)與光的最佳交互作用。相關(guān)成果發(fā)表在《自然》(Nature)期刊。

利用銪分子晶體開拓量子計算系統(tǒng)的示意圖，圖片來自法國國家科學(xué)研究中心

為了執(zhí)行量子計算，一個量子比特的疊加狀態(tài)必須持續(xù)一段時間，這稱為相干時間。核自旋在分子中可以使量子疊加態(tài)具有較長的相干時間，因為核自旋可以較好地屏蔽環(huán)境干擾，保護量子位免受環(huán)境影響。

“在實際應(yīng)用中，我們必須能夠存儲、處理和傳輸量子態(tài)，”斯特拉斯堡大學(xué)歐洲量子科學(xué)中心(CESQ)Mario Ruben教授說，“我們現(xiàn)在已經(jīng)確定了一種具有前景的新材料：包含核自旋的銪分子。銪屬于稀土金屬。”

據(jù)悉，稀土晶體具有出色的光學(xué)與自旋特性，但它們在光子器件中的集成十分復(fù)雜。一般分子系統(tǒng)要么缺少自旋，要么光學(xué)線寬太寬，無法在自旋與光之間建立可靠的聯(lián)系。

因此，研究人員通過稀土離子和分子體系結(jié)合生成銪分子晶體，以突破這一困難。銪分子晶體的光學(xué)線寬極窄，只在幾萬赫茲范圍內(nèi)，比其它分子系統(tǒng)都更窄。團隊利用這一特性演示了在銪分子晶體中，通過原子頻率梳進(jìn)行光的相干存儲，并且實現(xiàn)了對離子的光學(xué)控制。

團隊采用光學(xué)尋址技術(shù)，提高了讀出速度，防止了電信號的干擾。頻率的分離允許對多個分子分別定位，這項研究在分子材料中達(dá)到了超過此前1000倍的光學(xué)相干性。通過這種方式，核自旋態(tài)能夠以一種特定的方式被光學(xué)操縱。

光子也適合在更大的距離上傳輸量子信息，以連接量子計算機或安全地傳輸信息。研究人員表示，這也許可以通過在光子結(jié)構(gòu)中整合新的銪分子來實現(xiàn)，以增強光學(xué)躍遷。

目前，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)科學(xué)院應(yīng)用物理系Mikael Afzelius團隊已成功使用摻有稀土銪的晶體，將一個量子比特存儲在該晶體內(nèi)長達(dá)20毫秒，為遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

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