Μοριακά qubits μπορούν να επικοινωνούν σε τηλεπικοινωνιακές συχνότητες

Μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, το Εθνικό Εργαστήριο Argonne και το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley ανέπτυξε μοριακά qubits που γεφυρώνουν το χάσμα μεταξύ φωτός και μαγνητισμού – και λειτουργούν στις ίδιες συχνότητες με την τεχνολογία τηλεπικοινωνιών.

Η πρόοδος αυτή, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science, καθιερώνει ένα πολλά υποσχόμενο νέο δομικό στοιχείο για κλιμακούμενες κβαντικές τεχνολογίες που μπορούν να ενσωματωθούν απρόσκοπτα στα υπάρχοντα δίκτυα οπτικών ινών.

Προς ένα μελλοντικό «κβαντικό διαδίκτυο»

Επειδή τα νέα μοριακά qubits μπορούν να αλληλεπιδρούν σε τηλεπικοινωνιακές συχνότητες, το έργο αυτό δείχνει προς μελλοντικά κβαντικά δίκτυα – τα οποία μερικές φορές αποκαλούνται «κβαντικό διαδίκτυο». Τέτοια δίκτυα θα μπορούσαν να επιτρέψουν υπερ-ασφαλή κανάλια επικοινωνίας, να συνδέσουν κβαντικούς υπολογιστές σε μεγάλες αποστάσεις και να διανείμουν κβαντικούς αισθητήρες με άνευ προηγουμένου ακρίβεια.

Αισθητήρες σε μοριακό επίπεδο και ενσωμάτωση σε chips

Τα μοριακά qubits θα μπορούσαν επίσης να λειτουργήσουν ως εξαιρετικά ευαίσθητοι κβαντικοί αισθητήρες. Το μικροσκοπικό τους μέγεθος και η χημική ευελιξία σημαίνουν ότι θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε ασυνήθιστα περιβάλλοντα – όπως βιολογικά συστήματα – για τη μέτρηση μαγνητικών πεδίων, θερμοκρασίας ή πίεσης σε νανοκλίμακα. Και επειδή είναι συμβατά με τη σιλικονούχα φωτονική, αυτά τα μόρια θα μπορούσαν να ενσωματωθούν άμεσα σε chips, ανοίγοντας τον δρόμο για συμπαγείς κβαντικές συσκευές για υπολογισμό, επικοινωνία ή ανίχνευση.

Το στοιχείο κλειδί: Έρβιο

Το νέο μοριακό qubit περιέχει έρβιο, ένα στοιχείο των σπάνιων γαιών. Οι σπάνιες γαίες χρησιμοποιούνται τόσο σε κλασικές όσο και σε αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες, επειδή απορροφούν και εκπέμπουν φως με πολύ «καθαρό» τρόπο σε σχέση με άλλα στοιχεία, αλλά επίσης αλληλεπιδρούν ισχυρά με μαγνητικά πεδία.

«Αυτά τα μόρια μπορούν να λειτουργήσουν ως γέφυρα νανοκλίμακας μεταξύ του κόσμου του μαγνητισμού και του κόσμου της οπτικής», είπε η Leah Weiss, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Pritzker School of Molecular Engineering του Πανεπιστημίου του Σικάγο (UChicago PME) και συν-πρώτη συγγραφέας του άρθρου.

«Η πληροφορία θα μπορούσε να κωδικοποιηθεί στην μαγνητική κατάσταση ενός μορίου και έπειτα να προσπελαστεί με φως σε μήκη κύματος συμβατά με τις τεχνολογίες των οπτικών ινών και των σιλικονούχων φωτονικών κυκλωμάτων.»

Το κβαντικό επίπεδο: φως, μαγνητισμός και spin

Σε κβαντικό επίπεδο, η σχέση μεταξύ φωτός και μαγνητισμού είναι λεπτή και πολύπλοκη. Το φως είναι συχνά το μέσο μετάδοσης και ανάγνωσης κβαντικής πληροφορίας· ο μαγνητισμός συνδέεται βαθιά με το «spin», μια μοναδική κβαντική ιδιότητα που υποστηρίζει μια ποικιλία τεχνολογιών, όπως αισθητήρες και ορισμένους τύπους κβαντικών υπολογιστών.

Συνδυασμός χημείας και κβαντικής οπτικής

Το έργο βασίζεται σε δύο πεδία: την κβαντική οπτική – με εφαρμογές σε λέιζερ και κβαντικά δίκτυα – και τη συνθετική χημεία, υπεύθυνη για παράγοντες αντίθεσης στη μαγνητική τομογραφία (MRI), ώστε να δημιουργηθεί ένα μοριακό δομικό στοιχείο που γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ τους.

«Η χημεία των σπάνιων γαιών προσέφερε έναν τυχερό συνδυασμό ιδιοτήτων που μας επέτρεψε να φέρουμε αυτές τις δυνατότητες σε μοριακό σύστημα», δήλωσε ο Grant Smith, διδακτορικός φοιτητής στο PME και επίσης πρώτος συγγραφέας.

«Ένας από τους βασικούς στόχους αυτής της δουλειάς – και γενικότερα του εργαστηρίου – είναι να επεκτείνουμε το φάσμα των κβαντικών συστημάτων και υλικών που μπορούμε να ελέγξουμε και να αλληλεπιδράσουμε μαζί τους.» Με αυτόν τον τρόπο, όπως λέει, «μπορούμε να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε νέους και αντισυμβατικούς τρόπους αξιοποίησης και ενσωμάτωσής τους στις τεχνολογίες.»

Συμβατότητα με υπάρχουσες τηλεπικοινωνιακές τεχνολογίες

Χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία οπτικής και τεχνικές μικροκυμάτων, η ομάδα απέδειξε ότι τα μοριακά qubits με έρβιο χρησιμοποιούν συχνότητες συμβατές με τη σιλικονούχα φωτονική, που χρησιμοποιείται σε τηλεπικοινωνίες, υπολογιστική υψηλών επιδόσεων και προηγμένους αισθητήρες. Η συμβατότητα αυτή με ώριμες τεχνολογίες θα μπορούσε να επιταχύνει την ανάπτυξη υβριδικών μοριακών–φωτονικών πλατφορμών για κβαντικά δίκτυα.

«Με την επίδειξη της ευελιξίας αυτών των μοριακών qubits από έρβιο, κάνουμε ένα ακόμη βήμα προς τα κλιμακούμενα κβαντικά δίκτυα που μπορούν να συνδεθούν απευθείας με τη σημερινή οπτική υποδομή», δήλωσε ο David Awschalom, Καθηγητής Μοριακής Μηχανικής και Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και κύριος ερευνητής της μελέτης.

«Έχουμε επίσης αποδείξει ότι αυτά τα ατομικά σχεδιασμένα qubits διαθέτουν τις δυνατότητες που απαιτούνται για αρχιτεκτονικές πολλαπλών qubit, κάτι που ανοίγει την πόρτα για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών αισθητήρων και των υβριδικών οργανικών-ανόργανων κβαντικών συστημάτων.»

Η συνεργασία με την ομάδα του Berkeley

Τanto η Weiss όσο και ο Smith τόνισαν τη σημασία της συνεργασίας τους με τους χημικούς του UC Berkeley, ειδικά με τον συν-πρώτο συγγραφέα Ryan Murphy από την ερευνητική ομάδα του Jeffrey Long, χαρακτηρίζοντάς τη «απολύτως κρίσιμη» και «προνόμιο».

«Η συνθετική μοριακή χημεία προσφέρει τη δυνατότητα βελτιστοποίησης των ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων των ιόντων σπανίων γαιών με τρόπους που είναι δύσκολο να επιτευχθούν σε συμβατικά στερεά υποστρώματα», δήλωσε ο Murphy. «Αυτή η μελέτη απλώς ξύνει την επιφάνεια όσων πιστεύουμε ότι μπορούμε να επιτύχουμε.»

«Η δουλειά μας δείχνει ότι η συνθετική χημεία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό και τον έλεγχο κβαντικών υλικών σε μοριακό επίπεδο», δήλωσε

ο Long, Καθηγητής Χημείας στο UC Berkeley και συν-κύριος ερευνητής. «Αυτό δείχνει έναν ισχυρό δρόμο για τη δημιουργία κατά παραγγελία κβαντικών συστημάτων με εφαρμογές σε δίκτυα, αισθητήρες και υπολογισμό.»