《自然》發文：稀土銪可用于量子通信，開拓光量子系統

近日，科學家研究發現基于稀土銪的新材料，具有開拓光量子系統的潛力。

在量子系統中，材料與光交互的能力將提供重要作用，例如應用于遠距離通信和開發光量子計算機。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，法國國家科學研究中心、斯特拉斯堡大學、德國卡爾斯魯厄理工學院和法國巴黎國立高等化工學校的科學家展開合作研究，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躍遷，可以實現與光的最佳交互作用。相關成果發表在《自然》(Nature)期刊。

利用銪分子晶體開拓量子計算系統的示意圖，圖片來自法國國家科學研究中心

為了執行量子計算，一個量子比特的疊加狀態必須持續一段時間，這稱為相干時間。核自旋在分子中可以使量子疊加態具有較長的相干時間，因為核自旋可以較好地屏蔽環境干擾，保護量子位免受環境影響。

“在實際應用中，我們必須能夠存儲、處理和傳輸量子態，”斯特拉斯堡大學歐洲量子科學中心(CESQ)Mario Ruben教授說，“我們現在已經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?！?/p>

據悉，稀土晶體具有出色的光學與自旋特性，但它們在光子器件中的集成十分復雜。一般分子系統要么缺少自旋，要么光學線寬太寬，無法在自旋與光之間建立可靠的聯系。

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

團隊采用光學尋址技術，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到了超過此前1000倍的光學相干性。通過這種方式，核自旋態能夠以一種特定的方式被光學操縱。

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構中整合新的銪分子來實現，以增強光學躍遷。

目前，瑞士日內瓦大學(UNIGE)科學院應用物理系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長達20毫秒，為遠距離量子通信網絡的開發奠定了重要基礎。

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