Quantum computing med grafenplasmoner

Et nyt materiale, der består af et enkelt ark carbonatomer, kan føre til nye designs til optiske kvantecomputere. Fysikere fra universitetet i Wien og Institute of Photonic Sciences i Barcelona har vist, at skræddersyede grafenstrukturer gør det muligt for enkelte fotoner at interagere med hinanden. Den foreslåede nye arkitektur for kvantecomputer er offentliggjort i det seneste nummer af npj Quantum Information .

Fotoner interagerer næsten ikke med miljøet, gør dem til en førende kandidat til lagring og transmission af kvanteinformation. Den samme funktion gør det særligt vanskeligt at manipulere oplysninger, der er kodet i fotoner. For at bygge en fotonisk kvantecomputer, en foton skal ændre tilstanden af ​​et sekund. Sådan en enhed kaldes en kvantelogisk port, og millioner af logiske porte vil være nødvendige for at bygge en kvantecomputer. En måde at opnå dette på er at bruge et såkaldt 'ikke-lineært materiale', hvor to fotoner interagerer i materialet. Desværre, standard ikke -lineære materialer er alt for ineffektive til at bygge en kvantelogisk gate.

Det blev for nylig indset, at ikke -lineære interaktioner kan forbedres kraftigt ved hjælp af plasmoner. I en plasmon, lys er bundet til elektroner på overfladen af ​​materialet. Disse elektroner kan derefter hjælpe fotonerne til at interagere meget stærkere. Imidlertid, plasmoner i standardmaterialer forfalder, før de nødvendige kvanteeffekter kan finde sted.

I deres nye arbejde, forskerholdet under ledelse af professor Philip Walther ved universitetet i Wien foreslår at skabe plasmoner i grafen. Dette 2-D materiale, der blev opdaget for knap et årti siden, består af et enkelt lag carbonatomer arrangeret i en bikage struktur, og, siden dens opdagelse, det er ikke holdt op med at overraske os. Til dette særlige formål, elektronernes særegne konfiguration i grafen fører til både en ekstremt stærk ikke -lineær interaktion og plasmoner, der lever i usædvanligt lang tid.

I deres foreslåede grafen -kvantelogikport, forskerne viser, at hvis der dannes enkeltplasmoner i nanoribbons lavet af grafen, to plasmoner i forskellige nanoribbons kan interagere gennem deres elektriske felter. Forudsat at hver plasmon forbliver i sit bånd, kan flere porte påføres plasmonerne, som er påkrævet til kvanteberegning. "Vi har vist, at den stærke ikke -lineære interaktion i grafen gør det umuligt for to plasmoner at hoppe ind i det samme bånd, "siger Irati Alonso Calafell, første forfatter til undersøgelsen.

Deres foreslåede ordning gør brug af flere unikke egenskaber ved grafen, som hver især er blevet observeret individuelt. Teamet i Wien udfører i øjeblikket eksperimentelle målinger på et lignende grafenbaseret system for at bekræfte gennemførligheden af ​​deres port med den nuværende teknologi. Da porten naturligvis er lille, og fungerer ved stuetemperatur, bør den let være egnet til at blive skaleret op, som det kræves for mange kvanteteknologier.