撰稿 | 楊向飛（北京大學(xué)，博士生）

量子信息技術(shù)是指以量子力學(xué)為基礎(chǔ)、把量子系統(tǒng)所帶有的物理信息進(jìn)行編碼、計(jì)算和傳輸?shù)娜滦畔⒓夹g(shù)。量子信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)帶我們進(jìn)入到“量子時(shí)代”，并實(shí)現(xiàn)更高的工作效率、更安全的通訊方式和更方便、綠色的生活方式。

量子系統(tǒng)之間的通信效率取決于它們與光相互作用的能力。然而，要找到一種能夠充分利用光量子特性的材料是非常困難的。

最近，巴黎化學(xué)研究所和卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)共同證明了一種基于稀土銪離子（Eu3?）的分子晶體在光量子系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。他們發(fā)現(xiàn)這種 Eu3? 分子晶體的超窄線寬發(fā)射可實(shí)現(xiàn)與光的高效相互作用，在量子通信和量子計(jì)算中具有重要價(jià)值。

相關(guān)研究題目為“Ultra-narrow optical linewidths in rare-earth molecular crystals”，于近日發(fā)表在 Nature 期刊上。

圖1：基于稀土銪分子晶體的量子通信（圖源：Light新媒體/VEER）

量子狀態(tài)具有可疊加性，因此量子信息也是可以疊加的。一個(gè)量子比特可以同時(shí)呈現(xiàn) 0 到 1 之間的各種不同狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)可以進(jìn)行批量并行處理。因此，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力相比于傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算機(jī)將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。然而，為了執(zhí)行計(jì)算操作，量子比特的疊加狀態(tài)必須能夠穩(wěn)定持續(xù)一段時(shí)間。在量子力學(xué)中，這段穩(wěn)定維持的時(shí)間被稱為相干壽命。由于有效地屏蔽了環(huán)境對(duì)核自旋的影響，配合物分子中的核自旋能夠?qū)崿F(xiàn)具有較長(zhǎng)相干壽命的疊加態(tài)。

稀土離子和分子晶體是量子技術(shù)中已經(jīng)使用過(guò)的兩個(gè)體系。稀土離子具有優(yōu)異的光學(xué)和自旋特性，但是難以集成在光子器件中；分子晶體較容易集成，但由于發(fā)射譜帶太寬而難以建立自旋與光之間的可靠聯(lián)系。

本工作開發(fā)的稀土分子晶體將二者的優(yōu)勢(shì)巧妙地結(jié)合了起來(lái)，在激光激發(fā)下，Eu3? 可以發(fā)射攜帶核自旋信息的光子。通過(guò)特定的激光實(shí)驗(yàn)，可以產(chǎn)生有效的光/核自旋界面。在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了核自旋能級(jí)尋址、光子的相干存儲(chǔ)以及第一次量子運(yùn)算的執(zhí)行。

為了實(shí)現(xiàn)有效的量子運(yùn)算，通常需要多個(gè)相互糾纏的量子比特。研究人員證明了上述分子晶體中的 Eu3? 可以通過(guò)雜散電場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)量子糾纏，從而實(shí)現(xiàn)量子信息處理。由于分子晶體中包含多個(gè)稀土離子，因此可以達(dá)到比較高的量子比特密度。

量子計(jì)算的另一個(gè)要求是單個(gè)量子比特的可尋址性。本工作中的光學(xué)尋址技術(shù)可以在提高讀取速度的同時(shí)防止電路信號(hào)的干擾。與之前的研究相比，本工作報(bào)道的 Eu3? 分子晶體的光學(xué)相干性提高了約一千倍，因此可以通過(guò)特定方式對(duì)核自旋狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)操縱。

光信號(hào)還適用于遠(yuǎn)距離量子信息分發(fā)，以連接量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信。后續(xù)還可以考慮將新型 Eu3? 分子晶體整合到光子結(jié)構(gòu)中以增強(qiáng)發(fā)光信號(hào)。該工作以稀土分子作為量子互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)，向未來(lái)的量子通信架構(gòu)邁出了重要一步。

論文信息  

Serrano, D., Kuppusamy, S.K., Heinrich, B. et al. Ultra-narrow optical linewidths in rare-earth molecular crystals. Nature 603, 241–246 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04316-2

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