Учёные из Университета Чикаго, Калифорнийского университета в Беркли, Аргоннской национальной лаборатории и Лаборатории им. Лоуренса в Беркли сообщили о создании молекулярных кубитов, которые работают на телекоммуникационных частотах и могут стать новой архитектурной основой для масштабируемых квантовых технологий. Разработка ориентирована на интеграцию с существующей оптоволоконной инфраструктурой.
Такие кубиты открывают перспективу квантовых сетей, или «квантового интернета». Подобные системы позволят организовать сверхзащищённые каналы связи, объединять квантовые компьютеры на больших расстояниях и распределять сенсоры с высокой точностью. Благодаря компактным размерам и химической гибкости молекулы можно размещать в необычных средах, включая биологические ткани, чтобы фиксировать магнитные поля, температуру или давление на наноуровне. Дополнительное преимущество в том, что новые решения совместимы с кремниевой фотоникой и могут интегрироваться в чипы, формируя основу для компактных устройств.
Ключевым элементом кубитов выбран эрбий — редкоземельный металл, известный своей способностью излучать и поглощать свет с высокой спектральной чистотой и одновременно активно взаимодействовать с магнитными полями.
«Эти молекулы создают наномост между магнетизмом и оптикой, — пояснила Лия Вайс, постдокторант Школы молекулярной инженерии Университета Чикаго. — Информацию можно кодировать в магнитном состоянии и извлекать при помощи света на длинах волн, используемых волоконными сетями и фотонными схемами».
Связь между светом и магнетизмом на квантовом уровне устроена сложно: свет обеспечивает передачу информации, а магнетизм связан со спином — фундаментальной характеристикой, лежащей в основе сенсоров и ряда квантовых компьютеров. Исследование объединило достижения квантовой оптики, которая занимается световыми явлениями и сетевыми технологиями, и синтетической химии, благодаря которой были созданы, например, контрастные агенты для МРТ.
Команда подтвердила, что кубиты на основе эрбия действительно функционируют на частотах, используемых в кремниевой фотонике для телекоммуникаций, суперкомпьютеров и передовых датчиков. «Продемонстрировав универсальность этих молекулярных кубитов, мы сделали шаг к масштабируемым квантовым сетям, которые смогут подключаться к существующей оптической инфраструктуре», — отметил Дэвид Авшалом, профессор Университета Чикаго и руководитель проекта. —
«Мы также показали, что эти кубиты, созданные на атомарном уровне, подходят для много-кубитных архитектур и могут применяться в сенсорах и гибридных органо-неорганических системах».