Sulla base dell'Europium(III), gli scienziati mirano a far progredire lo sviluppo dei computer quantistici. Credito:S. Kuppusamy, KIT
La luce può essere utilizzata per far funzionare i sistemi di elaborazione delle informazioni quantistiche, per esempio. computer quantistici, rapido ed efficiente. I ricercatori dell'Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT) e di Chimie ParisTech/CNRS hanno ora notevolmente avanzato lo sviluppo di materiali a base di molecole adatti all'uso come unità quantistiche fondamentali indirizzabili alla luce. Come riportano sul giornale Comunicazioni sulla natura , hanno dimostrato per la prima volta la possibilità di indirizzare i livelli di spin nucleare di un complesso molecolare di ioni di terre rare europio(III) con la luce.
Sia nello sviluppo di farmaci, comunicazione, o per le previsioni climatiche:l'elaborazione delle informazioni in modo rapido ed efficiente è cruciale in molti settori. Attualmente viene eseguito utilizzando computer digitali, che funzionano con i cosiddetti bit. Lo stato di un bit è 0 o 1, non c'è niente in mezzo. Ciò limita gravemente le prestazioni dei computer digitali, e sta diventando sempre più difficile e dispendioso in termini di tempo gestire problemi complessi relativi alle attività del mondo reale. computer quantistici, d'altra parte, utilizzare bit quantistici per elaborare le informazioni. Un bit quantistico (qubit) può trovarsi in molti stati diversi tra 0 e 1 contemporaneamente a causa di una speciale proprietà della meccanica quantistica denominata sovrapposizione quantistica. Ciò consente di elaborare i dati in parallelo, che aumenta la potenza di calcolo dei computer quantistici in modo esponenziale rispetto ai computer digitali.
Gli stati di sovrapposizione di Qubit devono persistere abbastanza a lungo
"Per sviluppare computer quantistici praticamente applicabili, gli stati di sovrapposizione di un qubit dovrebbero persistere per un tempo sufficientemente lungo. I ricercatori parlano di "coerenza a vita, '", spiega il professor Mario Ruben, capo del gruppo di ricerca sui materiali molecolari presso l'Istituto di nanotecnologie del KIT (INT). "Però, gli stati di sovrapposizione di un qubit sono fragili e sono disturbati dalle fluttuazioni nell'ambiente, che porta alla decoerenza, cioè accorciamento della durata di coerenza." Per preservare lo stato di sovrapposizione abbastanza a lungo per le operazioni di calcolo, è concepibile isolare un qubit dall'ambiente rumoroso. I livelli di spin nucleare nelle molecole possono essere utilizzati per creare stati di sovrapposizione con lunghi tempi di vita di coerenza perché gli spin nucleari sono debolmente accoppiati all'ambiente, proteggere gli stati di sovrapposizione di un qubit da influenze esterne di disturbo.
Il complesso di Europio che agisce come qubit, in cui la densità di spin nucleare è manipolata dalla luce. Credito:C. Grupe KIT
Le molecole sono ideali come sistemi Qubit
Un singolo qubit, però, non è sufficiente per costruire un computer quantistico. Sono necessari molti qubit da organizzare e indirizzare. Le molecole rappresentano sistemi di qubit ideali in quanto possono essere disposte in numeri sufficientemente grandi come unità scalabili identiche e possono essere indirizzate con la luce per eseguire operazioni di qubit. Inoltre, le proprietà fisiche delle molecole, quali proprietà di emissione e/o magnetiche, possono essere adattati modificando le loro strutture utilizzando principi di progettazione chimica. Nel loro articolo ora pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , i ricercatori guidati dal professor Mario Ruben presso l'IQMT del KIT e il Centro europeo per le scienze quantistiche di Strasburgo - CESQ e il dott. Philippe Goldner presso l'École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie ParisTech/CNRS) presentano un europio dimerico contenente spin nucleare (III ) molecola come qubit indirizzabile alla luce.
La molecola, che appartiene ai metalli delle terre rare, è progettato per mostrare luminescenza, cioè., un'emissione sensibilizzata centrata su europio(III), quando eccitato da ligandi che assorbono la luce ultravioletta che circondano il centro. Dopo l'assorbimento della luce, i ligandi trasferiscono l'energia luminosa al centro dell'europio(III), eccitandolo così. Il rilassamento del centro eccitato allo stato fondamentale porta all'emissione di luce. L'intero processo è indicato come luminescenza sensibilizzata. La combustione del foro spettrale—esperimenti speciali con i laser—rileva la polarizzazione dei livelli di spin nucleare, indicando la generazione di un'efficiente interfaccia luce-nucleare spin. Quest'ultimo consente la generazione di qubit iperfini indirizzabili alla luce basati sui livelli di spin nucleare. "Dimostrando per la prima volta la polarizzazione dello spin indotta dalla luce nella molecola di europio (III), siamo riusciti a compiere un passo promettente verso lo sviluppo di architetture di calcolo quantistico basate su molecole contenenti ioni di terre rare, " spiega il dottor Philippe Goldner.
