Группа ученых из Чикагского университета, Калифорнийского университета в Беркли, Аргоннской национальной лаборатории и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли разработала молекулярные кубиты, которые преодолевают разрыв между светом и магнетизмом и работают на тех же частотах, что и телекоммуникационные технологии. Аванс, опубликованный сегодня в Наука, представляет собой новый многообещающий строительный блок для 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 будущие квантовые сети, которые иногда называют «квантовым интернетом». Такие сети могут обеспечить сверхбезопасные каналы связи, соединить квантовые компьютеры на больших расстояниях и распределить квантовые датчики с беспрецедентной точностью.

Молекулярные кубиты также могут служить в качестве высокочувствительных квантовых сенсоров; Их крошечный размер и химическая гибкость позволяют встраивать их в необычные среды, такие как биологические системы, для измерения магнитных полей, температуры или давления на наноуровне. А поскольку они совместимы с кремниевой фотоникой, эти молекулы могут быть интегрированы непосредственно в чипы, прокладывая путь к компактным квантовым устройствам, которые можно использовать для вычислений, связи или зондирования.

Новый молекулярный кубит содержит эрбий, редкоземельный элемент. Редкоземельные элементы используются как в классических, так и в новых квантовых технологиях, потому что они поглощают и излучают свет очень «чисто» по сравнению с другими элементами, но также сильно взаимодействуют с магнитными полями.

«Эти молекулы могут выступать в качестве наноразмерного моста между миром магнетизма и миром оптики», — сказала Лия Вайс, постдокторант Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (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 оптоволоконных сетей и кремниевых фотонных схем».

На квантовом уровне связь между светом и магнетизмом тонка и сложна. Свет часто является тем, как квантовая информация передается и считывается; Магнетизм тесно связан со «спином» — уникальным квантовым свойством, лежащим в основе различных квантовых технологий, таких как датчики и некоторые типы квантовых компьютеров.

Эта работа опирается на две области: квантовую оптику — с приложениями в лазерах и квантовых сетях — и синтетическую химию, которая отвечает за контрастные вещества, используемые в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ), чтобы создать молекулярный строительный блок, который может преодолеть разрыв между ними.

«Редкоземельная химия обеспечила удачную комбинацию свойств, которая позволила нам привнести эти возможности в молекулярную систему», — сказал Грант Смит, аспирант PME и еще один первый автор статьи.

«Было много вещей, 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, которые мы можем контролировать и с которыми мы можем взаимодействовать». Делая это, по его словам, «вы можете начать думать о новых и нетрадиционных способах их использования и интеграции в технологии».

Используя оптическую спектроскопию и микроволновые методы, команда продемонстрировала, что молекулярные кубиты эрбия используют частоты, совместимые с кремниевой фотоникой, которая используется в телекоммуникациях, высокопроизводительных вычислениях и передовых датчиках. Исследователи говорят, что эта совместимость со зрелыми технологиями может ускорить разработку гибридных молекулярно-фотонных платформ для квантовых сетей.

«Демонстрируя универсальность этих молекулярных кубитов эрбия, мы делаем еще один шаг к скалеМы можем напрямую подключаться к современной оптической инфраструктуре», — сказал Дэвид Авшалом, профессор молекулярной инженерии и физики в Чикагском университете и главный исследователь.

«Мы также продемонстрировали, что эти атомарно спроектированные кубиты обладают возможностями, необходимыми для многокубитных архитектур, что открывает двери для широкого спектра приложений, включая квантовое зондирование и гибридные органические и неорганические квантовые системы».

И Вайс, и Смит подчеркнули важность своего сотрудничества с химиками из Калифорнийского университета в Беркли, особенно с их соавтором Райаном Мерфи в исследовательской группе Джеффри Лонга, назвав его «абсолютно критическим» для работы и «привилегией».

«Синтетическая молекулярная химия дает возможность оптимизировать электронные и оптические свойства ионов редкоземельных элементов способами, которые могут быть труднодоступны в обычных твердотельных подложках», — сказал Мерфи. «Это исследование — лишь малая часть того, что, как мы думаем, мы можем достичь».

«Наша работа показывает, что синтетическая химия может быть использована для проектирования и управления квантовыми материалами на молекулярном уровне», — сказал Лонг, профессор химии в Калифорнийском университете в Беркли и соавтор исследования. «Это указывает на мощный путь для создания специализированных квантовых систем с приложениями в области сетей, сенсорики и вычислений».