La luz se puede utilizar para operar sistemas de procesamiento de información cuántica, p.ej. computadoras cuánticas, Rápida y eficientemente. Los investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y Chimie ParisTech / CNRS han avanzado significativamente en el desarrollo de materiales basados ​​en moléculas adecuados para su uso como unidades cuánticas fundamentales direccionables por luz. Como informan en la revista Comunicaciones de la naturaleza , han demostrado por primera vez la posibilidad de abordar los niveles de espín nuclear de un complejo molecular de iones de tierras raras de europio (III) con luz.

Ya sea en el desarrollo de fármacos, comunicación, o para pronósticos climáticos:procesar la información de manera rápida y eficiente es crucial en muchas áreas. Actualmente se realiza mediante computadoras digitales, que funcionan con los llamados bits. El estado de un bit es 0 o 1; no hay nada intermedio. Esto limita severamente el rendimiento de las computadoras digitales, y se está volviendo cada vez más difícil y lento manejar problemas complejos relacionados con tareas del mundo real. Computadoras cuánticas, por otra parte, utilizar bits cuánticos para procesar información. Un bit cuántico (qubit) puede estar en muchos estados diferentes entre 0 y 1 simultáneamente debido a una propiedad mecánica cuántica especial conocida como superposición cuántica. Esto hace posible procesar datos en paralelo, lo que aumenta la potencia de cálculo de las computadoras cuánticas de manera exponencial en comparación con las computadoras digitales.

Los estados de superposición de Qubit deben persistir lo suficiente

"Con el fin de desarrollar computadoras cuánticas prácticamente aplicables, los estados de superposición de un qubit deberían persistir durante un tiempo suficientemente largo. Los investigadores hablan de 'coherencia de por vida, '", explica el profesor Mario Ruben, jefe del grupo de investigación de Materiales Moleculares del Instituto de Nanotecnología (INT) de KIT. "Sin embargo, los estados de superposición de un qubit son frágiles y se ven perturbados por fluctuaciones en el entorno, que conduce a la decoherencia, es decir, acortamiento de la vida útil de la coherencia ". Para preservar el estado de superposición durante el tiempo suficiente para las operaciones computacionales, aislar un qubit del entorno ruidoso es concebible. Los niveles de espín nuclear en las moléculas se pueden utilizar para crear estados de superposición con una larga vida de coherencia porque los espines nucleares están débilmente acoplados al medio ambiente. protegiendo los estados de superposición de un qubit de influencias externas perturbadoras.

Las moléculas son ideales como sistemas Qubit

Un solo qubit, sin embargo, no es suficiente para construir una computadora cuántica. Se requieren muchos qubits para organizar y abordar. Las moléculas representan sistemas de qubit ideales, ya que pueden disponerse en cantidades suficientemente grandes como unidades escalables idénticas y pueden direccionarse con luz para realizar operaciones de qubit. Además, las propiedades físicas de las moléculas, tales como emisión y / o propiedades magnéticas, se pueden adaptar cambiando sus estructuras utilizando principios de diseño químico. En su artículo ahora publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Los investigadores dirigidos por el profesor Mario Ruben en el IQMT de KIT y el Centro Europeo de Ciencias Cuánticas de Estrasburgo — CESQ y el Dr. Philippe Goldner en la École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie ParisTech / CNRS) presentan un europio dimérico que contiene espín nuclear (III ) molécula como qubit direccionable por luz.

La molécula, que pertenece a los metales de las tierras raras, está diseñado para exhibir luminiscencia, es decir., una emisión sensibilizada centrada en europio (III), cuando es excitado por ligandos absorbentes de luz ultravioleta que rodean el centro. Después de la absorción de luz, los ligandos transfieren la energía luminosa al centro del europio (III), excitándolo así. La relajación del centro excitado al estado fundamental conduce a la emisión de luz. Todo el proceso se denomina luminiscencia sensibilizada. La quema de agujeros espectrales (experimentos especiales con láseres) detectan la polarización de los niveles de espín nuclear, que indica la generación de una interfaz de espín nuclear ligera eficiente. Este último permite la generación de qubits hiperfinos direccionables por luz basados ​​en niveles de espín nuclear. "Al demostrar por primera vez la polarización de espín inducida por la luz en la molécula de europio (III), hemos logrado dar un paso prometedor hacia el desarrollo de arquitecturas de computación cuántica basadas en moléculas que contienen iones de tierras raras, "explica el Dr. Philippe Goldner.