量子通信：分子、稀土和光

量子信息技术是指以量子力学为基础、把量子系统所带有的物理信息进行编码、计算和传输的全新信息技术。量子信息技术的发展和应用将会带我们进入到“量子时代”，并实现更高的工作效率、更安全的通讯方式和更方便、绿色的生活方式。

量子系统之间的通信效率取决于它们与光相互作用的能力。然而，要找到一种能够充分利用光量子特性的材料是非常困难的。

最近，巴黎化学研究所和卡尔斯鲁厄理工学院的研究团队共同证明了一种基于稀土铕离子（Eu³⁺）的分子晶体在光量子系统中的应用潜力。他们发现这种 Eu³⁺ 分子晶体的超窄线宽发射可实现与光的高效相互作用，在量子通信和量子计算中具有重要价值。

相关研究题目为“Ultra-narrow optical linewidths in rare-earth molecular crystals”，于近日发表在 Nature 期刊上。

图1：基于稀土铕分子晶体的量子通信

图源：Christian Grupe，KIT

量子状态具有可叠加性，因此量子信息也是可以叠加的。一个量子比特可以同时呈现 0 到 1 之间的各种不同状态，使得数据可以进行批量并行处理。因此，量子计算机的计算能力相比于传统的数字计算机将呈指数级增长。然而，为了执行计算操作，量子比特的叠加状态必须能够稳定持续一段时间。在量子力学中，这段稳定维持的时间被称为相干寿命。由于有效地屏蔽了环境对核自旋的影响，配合物分子中的核自旋能够实现具有较长相干寿命的叠加态。

稀土离子和分子晶体是量子技术中已经使用过的两个体系。稀土离子具有优异的光学和自旋特性，但是难以集成在光子器件中；分子晶体较容易集成，但由于发射谱带太宽而难以建立自旋与光之间的可靠联系。

本工作开发的稀土分子晶体（图2a）将二者的优势巧妙地结合了起来，在激光激发下，Eu³⁺ 可以发射携带核自旋信息的光子（图2b）。通过特定的激光实验，可以产生有效的光/核自旋界面。在此基础上，研究人员进一步实现了核自旋能级寻址、光子的相干存储以及第一次量子运算的执行。

图2：(a) Eu³⁺ 配合物的分子结构；图中小球粉色为 Eu 原子、红色为 O 原子、灰色为 C 原子、白色为 H 原子；(b) Eu³⁺ 配合物发射光谱。

图源：Nature

为了实现有效的量子运算，通常需要多个相互纠缠的量子比特。研究人员证明了上述分子晶体中的 Eu³⁺ 可以通过杂散电场耦合实现量子纠缠，从而实现量子信息处理。由于分子晶体中包含多个稀土离子，因此可以达到比较高的量子比特密度。

量子计算的另一个要求是单个量子比特的可寻址性。本工作中的光学寻址技术可以在提高读取速度的同时防止电路信号的干扰。与之前的研究相比，本工作报道的 Eu³⁺ 分子晶体的光学相干性提高了约一千倍，因此可以通过特定方式对核自旋状态进行光学操纵。

光信号还适用于远距离量子信息分发，以连接量子计算机实现远程量子通信。后续还可以考虑将新型 Eu³⁺ 分子晶体整合到光子结构中以增强发光信号。该工作以稀土分子作为量子互联网基础，向未来的量子通信架构迈出了重要一步。

  论文信息  

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