科学家打造可在电信频率下通信的分子量子比特

科学家们开发出一种基于稀土元素铒的分子量子比特，它能在电信频率下运行，并连接光学与磁性世界。这项突破为可扩展的量子技术奠定了基础，有望与现有的光纤网络无缝集成，从而推动量子互联网、超灵敏传感器和紧凑型量子设备的发展。

一种连接光与磁的分子桥梁

这项新技术的核心是一种包含稀土元素铒 (erbium) 的分子量子比特。稀土元素因其能“纯净地”吸收和发射光，并与磁场产生强烈相互作用而备受青睐。

“这些分子可以充当磁性世界和光学世界之间的纳米级桥梁。信息可以编码在分子的磁性状态中，然后通过与光纤网络和硅光子电路兼容的光波长进行读取。” —— Leah Weiss，芝加哥大学博士后学者

从根本上说，这项工作结合了两个领域的知识：

• 量子光学：应用于激光和量子网络。
• 合成化学：负责制造核磁共振（MRI）中使用的造影剂。

通过化学方法，科学家得以将光的信息传输能力与磁性中独特的量子属性“自旋”联系起来。

广泛的潜在应用

这种分子量子比特的独特属性为其在多个前沿领域开辟了可能性：

• 量子互联网：建立超安全的通信渠道，远距离连接量子计算机，并部署高精度量子传感器网络。
• 高灵敏度量子传感器：由于其微小尺寸和化学灵活性，可被植入生物系统等特殊环境中，用于在纳米尺度上测量磁场、温度或压力。
• 紧凑型量子设备：可直接集成到芯片中，用于计算、通信或传感，为开发小型化量子设备铺平道路。

与现有技术的无缝集成

这项突破的关键优势在于其与成熟技术的兼容性。研究表明，这种基于铒的分子量子比特使用的频率与电信、高性能计算和先进传感器中广泛使用的硅光子学技术相匹配。

“通过展示这些铒分子量子比特的多功能性，我们向着可直接接入当今光纤基础设施的可扩展量子网络又迈进了一步。” —— David Awschalom，研究首席研究员

这种兼容性意味着可以利用现有的光纤网络基础设施，从而大大加速混合分子-光子量子平台的开发进程。

化学设计引领未来

研究团队强调，合成化学在其中扮演了至关重要的角色。通过化学手段，可以精确设计和控制量子材料的属性，这是传统固态基底难以实现的。

化学家能够优化稀土离子的电子和光学特性，为创造具有特定功能的定制化量子系统提供了一条强有力的途径，这些系统将在网络、传感和计算领域发挥重要作用。