Nature：基于铕分子晶体的量子计算机和量子通信技术

图1 基于铕分子晶体的量子计算机示意图

与光相互作用的能力对远距离通信等量子系统来说非常重要，而远距离通信则是未来量子计算机的关键功能。然而现实中很难找到一种能充分利用光的量子特性的材料。法国国家科学研究中心与斯特拉斯堡大学一个研究团队在巴黎高科国立化学学院的支持下、与德国卡尔斯鲁厄理工学院的团队合作，发现了一种有望用于光子量子系统的稀土基材料。这一结果发表在2022年3月9日的Nature上，展示了一种有望用于量子存储器和计算机的铕分子晶体。

尽管量子技术有很大可能将会引领未来的革命，但这项技术在应用中仍存在很多难题。比如，通过与光相互作用来处理、传递信息的量子系统（特别是光纤中信息传输处理的系统）目前仍然非常少见。理想情况下，这样的量子平台必须包括光接口和信息存储单元——即存储器，且存储单元必须能通过量子自旋的方式进行信息处理。事实证明，能够在量子水平上将自旋与光相联的材料非常难以制造。

在巴黎高科国立化学学院的支持下，一个来自法国国家科学研究中心和斯特拉斯堡大学的科学家团队与德国卡尔斯鲁厄理工学院合作，成功地证明了铕分子晶体在量子通信和量子处理器中的应用价值。由于这种晶体具有超窄的光学跃迁，因此能够以最佳的方式与光发生相互作用。

这种晶体采用了两种早已被用于量子技术中的系统：稀土离子（如铕）和分子系统。稀土晶体以其优异的光学和自旋特性而著称，但很难集成在光子器件中。分子系统中通常不存在自旋（即存储或计算单元），又或者是光谱线太宽、导致无法在自旋和光之间建立可靠的联系。

铕分子晶体的研发标志着重大的进步。由于其线宽超窄，标志着分子晶体中存储光脉冲的量子态寿命很长。除此之外，这一发现还奠定了由光操控的量子计算机的基石，这种用于量子技术的新材料展现出了一种前所未有的特性，为基于光操控的计算机和量子存储器的新架构打开了新的大门。

文章见：Philippe Goldner, Ultra-narrow Optical Linewidths in Rare-Earth Molecular Crystals, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04316-2。