《自然》发文：稀土铕可用于量子通信，开拓光量子系统

近日，科学家研究发现基于稀土铕的新材料，具有开拓光量子系统的潜力。

在量子系统中，材料与光交互的能力将提供重要作用，例如应用于远距离通信和开发光量子计算机。然而，要找到一种能够充分利用光量子特性的材料非常困难。

此次，法国国家科学研究中心、斯特拉斯堡大学、德国卡尔斯鲁厄理工学院和法国巴黎国立高等化工学校的科学家展开合作研究，成功证明了铕分子晶体在量子通信和处理器方面的价值：铕分子晶体具有超窄的光学跃迁，可以实现与光的最佳交互作用。相关成果发表在《自然》(Nature)期刊。

利用铕分子晶体开拓量子计算系统的示意图，图片来自法国国家科学研究中心

为了执行量子计算，一个量子比特的叠加状态必须持续一段时间，这称为相干时间。核自旋在分子中可以使量子叠加态具有较长的相干时间，因为核自旋可以较好地屏蔽环境干扰，保护量子位免受环境影响。

“在实际应用中，我们必须能够存储、处理和传输量子态，”斯特拉斯堡大学欧洲量子科学中心(CESQ)Mario Ruben教授说，“我们现在已经确定了一种具有前景的新材料：包含核自旋的铕分子。铕属于稀土金属。”

据悉，稀土晶体具有出色的光学与自旋特性，但它们在光子器件中的集成十分复杂。一般分子系统要么缺少自旋，要么光学线宽太宽，无法在自旋与光之间建立可靠的联系。

因此，研究人员通过稀土离子和分子体系结合生成铕分子晶体，以突破这一困难。铕分子晶体的光学线宽极窄，只在几万赫兹范围内，比其它分子系统都更窄。团队利用这一特性演示了在铕分子晶体中，通过原子频率梳进行光的相干存储，并且实现了对离子的光学控制。

团队采用光学寻址技术，提高了读出速度，防止了电信号的干扰。频率的分离允许对多个分子分别定位，这项研究在分子材料中达到了超过此前1000倍的光学相干性。通过这种方式，核自旋态能够以一种特定的方式被光学操纵。

光子也适合在更大的距离上传输量子信息，以连接量子计算机或安全地传输信息。研究人员表示，这也许可以通过在光子结构中整合新的铕分子来实现，以增强光学跃迁。

目前，瑞士日内瓦大学(UNIGE)科学院应用物理系Mikael Afzelius团队已成功使用掺有稀土铕的晶体，将一个量子比特存储在该晶体内长达20毫秒，为远距离量子通信网络的开发奠定了重要基础。