量子技術承諾提供安全的通信、更快的計算和強大的感測能力。然而，能夠無縫連接現有網絡的基礎組件仍然難以實現。一個主要挑戰在於如何將光與磁性連接起來，因為光通常用於傳輸量子信息，而磁性則是許多量子設備的基礎。最近，來自芝加哥大學、加州大學伯克利分校、阿貢國家實驗室和洛倫斯伯克利國家實驗室的研究人員表示，他們找到了一條前進的道路。
這些研究人員開發了在電信頻率下運作的分子量子位，實現了磁性與光的連接。他們的進步指向可擴展的量子網絡，未來可以直接整合到光纖基礎設施中。這些新的量子位依賴於鋰，這種稀土元素因其清潔的光學特性和強大的磁性相互作用而受到重視。這種組合使得這些分子能夠作為量子技術兩個關鍵要素之間的橋樑。
芝加哥大學普利茨克分子工程學院的博士後研究員Leah Weiss指出：「這些分子可以充當磁性世界和光學世界之間的納米級橋樑。」她補充道：「信息可以編碼在分子的磁性狀態中，然後通過與現有光纖網絡和硅光子電路基礎技術相容的波長進行光學訪問。」通過將光學與磁性結合，研究團隊建立了一種能夠通過當今光學基礎設施進行通信的分子基礎組件，同時支持基於磁性的量子操作。
在電信頻段運作的量子位具備超越實驗室的潛力。未來的“量子互聯網”系統可以利用它們創造超安全的通信，連接遠距離的量子計算機，或部署精確的量子感測器。研究人員指出：「這些分子可以嵌入不尋常的環境，例如生物系統，以納米級測量磁場、溫度或壓力。」它們的化學靈活性使其能夠適應多種環境，包括硅基芯片。
芝加哥大學普利茨克分子工程學院的研究生Grant Smith表示，這項工作擴展了可用的量子平台。他表示：「有很多跡象表明，這是一個令人興奮的平臺，可以推動在分子自旋量子位中使用光學自由度的應用。」他補充說，擴大可用系統的範圍使研究人員能夠開始思考如何以新的和非常規的方式利用和整合這些技術。
光學光譜學和微波測試顯示，這些分子量子位與硅光子學中已經使用的頻率對齊。這些頻率對於電信、高性能計算和先進感測至關重要。芝加哥大學的David Awschalom教授表示：「通過展示這些鋰分子量子位的多功能性，我們邁出了朝著可擴展量子網絡邁進的重要一步，這些網絡可以直接連接到當今的光學基礎設施。」他還指出，這些分子已經顯示出多量子位架構所需的特性，為感測和混合量子系統的應用開辟了新的道路。
這項研究在很大程度上依賴於與加州大學伯克利分校化學家的合作。Ryan Murphy表示：「合成分子化學為優化稀土離子的電子和光學特性提供了機會，而這在傳統固體基材中往往難以獲得。」加州大學伯克利分校的化學教授Jeffrey Long表示：「我們的工作表明，合成化學可以用來設計和控制分子級的量子材料。這為創建量身定制的量子系統提供了一條有力的途徑，這些系統可應用於網絡、感測和計算。」這項研究的成果已發表在《科學》期刊上。
