الاتصالات الكمومية: الجزيئات والأتربة النادرة والبصرية

تكنولوجيا المعلومات الكمومية هي تكنولوجيا معلومات جديدة تعتمد على ميكانيكا الكم، والتي تقوم بتشفير وحساب ونقل المعلومات المادية الواردة فيالنظام الكمي. إن تطوير وتطبيق تكنولوجيا المعلومات الكمومية سيدخلنا إلى "العصر الكمي"، وسيحقق كفاءة عمل أعلى، وطرق اتصال أكثر أمانًا، وأسلوب حياة أكثر ملاءمة وخضراء.

تعتمد كفاءة الاتصال بين الأنظمة الكمومية على قدرتها على التفاعل مع الضوء. ومع ذلك، من الصعب جدًا العثور على مادة يمكنها الاستفادة الكاملة من الخصائص الكمومية الضوئية.

في الآونة الأخيرة، أظهر فريق بحث في معهد الكيمياء في باريس ومعهد كارلسروه للتكنولوجيا معًا إمكانات البلورة الجزيئية القائمة على أيونات اليوروبيوم الأرضية النادرة (Eu³ +) للتطبيقات في الأنظمة الكمومية البصرية. ووجدوا أن انبعاث عرض الخط الضيق للغاية لهذه البلورة الجزيئية Eu³ + يتيح التفاعل الفعال مع الضوء وله قيمة مهمة فيالتواصل الكميوالحوسبة الكمومية.

الشكل 1: التواصل الكمي المبني على بلورات جزيئية اليوروبيوم الأرضية النادرة

يمكن فرض الحالات الكمومية، وبالتالي يمكن فرض المعلومات الكمومية. يمكن للبت الكمي الواحد أن يمثل في الوقت نفسه مجموعة متنوعة من الحالات المختلفة بين 0 و1، مما يسمح بمعالجة البيانات بالتوازي على دفعات. ونتيجة لذلك، ستزداد قوة الحوسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل كبير مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الرقمية التقليدية. ومع ذلك، من أجل إجراء العمليات الحسابية، يجب أن يكون تراكب البتات الكمومية قادرًا على الاستمرار بثبات لفترة من الزمن. في ميكانيكا الكم، تُعرف فترة الاستقرار هذه بعمر التماسك. يمكن للسفينات النووية للجزيئات المعقدة أن تحقق حالات تراكب ذات عمر جاف طويل لأن تأثير البيئة على السبينات النووية محمي بشكل فعال.

الأيونات الأرضية النادرة والبلورات الجزيئية هما نظامان تم استخدامهما في تكنولوجيا الكم. تتمتع الأيونات الأرضية النادرة بخصائص بصرية ودورانية ممتازة، ولكن من الصعب دمجها فيهاالأجهزة البصرية. من السهل دمج البلورات الجزيئية، ولكن من الصعب إنشاء اتصال موثوق بين الدوران والضوء لأن نطاقات الانبعاث واسعة جدًا.

تجمع البلورات الجزيئية الأرضية النادرة التي تم تطويرها في هذا العمل بدقة بين مزايا كليهما، حيث أنه، تحت إثارة الليزر، يمكن لـ Eu³ + أن ينبعث فوتونات تحمل معلومات حول الدوران النووي. ومن خلال تجارب ليزر محددة، يمكن إنشاء واجهة دوران بصرية/نووية فعالة. وعلى هذا الأساس، أدرك الباحثون كذلك معالجة مستوى الدوران النووي، والتخزين المتماسك للفوتونات، وتنفيذ أول عملية كمومية.

من أجل الحوسبة الكمومية الفعالة، عادة ما تكون هناك حاجة إلى عدة كيوبتات متشابكة. أثبت الباحثون أن Eu³ + في البلورات الجزيئية المذكورة أعلاه يمكن أن يحقق التشابك الكمي من خلال اقتران المجال الكهربائي الشارد، وبالتالي تمكين معالجة المعلومات الكمومية. ونظرًا لأن البلورات الجزيئية تحتوي على العديد من الأيونات الأرضية النادرة، فيمكن تحقيق كثافات كيوبت عالية نسبيًا.

هناك متطلب آخر للحوسبة الكمومية وهو قابلية معالجة البتات الكمومية الفردية. يمكن لتقنية العنونة البصرية في هذا العمل تحسين سرعة القراءة ومنع تداخل إشارة الدائرة. بالمقارنة مع الدراسات السابقة، تم تحسين التماسك البصري للبلورات الجزيئية Eu³ + المذكورة في هذا العمل بنحو ألف مرة، بحيث يمكن التلاعب بصريًا بحالات الدوران النووي بطريقة محددة.

تعد الإشارات الضوئية مناسبة أيضًا لتوزيع المعلومات الكمومية لمسافات طويلة لتوصيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية للاتصال الكمي عن بعد. يمكن إيلاء مزيد من الاهتمام لدمج بلورات Eu³ + الجزيئية الجديدة في البنية الضوئية لتعزيز الإشارة المضيئة. يستخدم هذا العمل جزيئات الأرض النادرة كأساس للإنترنت الكمومي، ويتخذ خطوة مهمة نحو بنيات الاتصالات الكمومية المستقبلية.