Свет используют для передачи и считывания информации, а магнетизм глубоко связан со «спином» — одним из свойств квантовых систем, на основе которых можно разрабатывать системы обработки данных. На квантовом уровне связь между светом и магнетизмом тонкая и сложная.
Ученые разработали молекулярный кубит, использующий и свет, и магнетизм. Для этого они применили технологии из области квантовой оптики и химического синтеза. Работа опубликована в журнале Science.
Новый молекулярный кубит содержит эрбий — редкоземельный элемент. Редкоземельные элементы поглощают и излучают свет «чище» других элементов, в более узком диапазоне длин волн. А также эти химические вещества сильно взаимодействуют с магнитными полями. Оба свойства — следствие строения их электронной оболочки. В работе ученые рассказали о том, что подобные молекулы можно создать и с другими лантаноидами.
«Эти молекулы могут действовать как наномост между миром магнетизма и миром оптики. Информацию можно было бы кодировать в магнитном состоянии молекулы, а затем считывать с помощью света на длинах волн, совместимых с уже хорошо развитыми технологиями, лежащими в основе оптоволоконных сетей и кремниевых фотонных схем», — сказала Лея Вайс (Leah Weiss), соавтор статьи.
С помощью оптической спектроскопии и микроволновых устройств ученые показали, что молекулярные кубиты на основе эрбия используют частоты, совместимые с кремниевой фотоникой, которая применяется для передачи информации, высокопроизводительных вычислений и сенсорах уже сейчас. Исследователи заявили что эта совместимость может ускорить разработку гибридных молекулярно-фотонных платформ для квантовых сетей.
«Химический синтез молекул предоставляет возможность оптимизировать электронные и оптические свойства ионов редкоземельных элементов способами, которые трудно реализовать иначе. Наша работа лишь поверхностно затрагивает то, чего, как мы считаем, можно достичь в квантовых технологиях», — рассказал Райан Мерфи (Ryan Murphy), соавтор исследования.
Команда ученых надеется, что их разработка открывает научному сообществу полезный и производительный путь создания точно настраиваемых квантовых систем. Они считают, что молекулярные кубиты станут хорошим вариантом для создания квантовых сенсоров: малый размер и химическая гибкость позволяют внедрять их в биологические системы для измерения магнитных полей, температуры или давления в наномасштабе.