Квантові розрахунки з графеновим плазмоном

Новий матеріал, що складається з одного аркуша атомів вуглецю, може призвести до нових розробок оптичних квантових комп'ютерів. Фізики з Віденського університету та Інституту фотонних наук у Барселоні показали, що спеціально розроблені графенові структури дозволяють одиночним фотонам взаємодіяти один з одним. Запропонована нова архітектура для квантового комп'ютера була опублікована в недавньому випуску Quantum Information.

Фотони практично не взаємодіють із навколишнім середовищем, що робить їх провідним кандидатом для зберігання та передачі квантової інформації. Ця особливість робить особливо складним маніпулювання інформацією, що кодується у фотонах. Щоб побудувати фотонний квантовий комп'ютер, один фотон повинен змінити другий стан. Такий пристрій називається квантовими логічними вентилями, і для побудови квантового комп'ютера знадобляться мільйони логічних вентилів. Одним із способів досягнення цього є використання так званого «нелінійного матеріалу», в якому два матеріали взаємодіють усередині матеріалу. На жаль, стандартні нелінійні матеріали є надто неефективними, щоб побудувати квантові логічні елементи.

Нещодавно зрозуміли, що нелінійні взаємодії можуть бути значно посилені за допомогою плазмонів. У плазмоні світло пов'язане з електронами на поверхні матеріалу. Ці електрони можуть допомогти фотонам взаємодіяти набагато сильніше. Однак плазмони у стандартних матеріалах розпадаються до того, як можуть виникнути необхідні квантові ефекти.

У своїй новій роботі команда вчених на чолі з професором Філіпом Вальтером із Віденського університету пропонує створити плазмони у графені. Цей двовимірний матеріал, виявлений лише десять років тому, складається з одного шару атомів вуглецю, розміщеного в стільниковій структурі, і з моменту свого відкриття він не переставав дивувати нас. Для цієї конкретної мети особлива конфігурація електронів у графені призводить як до надзвичайно сильної нелінійної взаємодії, так і плазмонів, які живуть виключно довго.

У своєму запропонованому графеновому логічному елементі графену вчені показують, що якщо одиночні плазмони створюються в нанострічках, виготовлених з графену, два плазмони в різних нанострічках можуть взаємодіяти через свої електричні поля. За умови, що кожен плазмон залишається на своїй стрічці, можна застосувати до плазмонів кілька затворів, що необхідно для квантових обчислень. "Ми показали, що сильна нелінійна взаємодія в графені не дозволяє двом плазмонам стрибати в одну стрічку", - підтверджує Іраті Алонсо Калафель, перший автор цієї роботи.

Їхня запропонована схема використовує кілька унікальних властивостей графену, кожна з яких спостерігалася індивідуально. Команда у Відні в даний час проводить експериментальні вимірювання на аналогічній системі на основі графену, щоб підтвердити здійсненність своїх воріт із використанням сучасної технології. Оскільки ворота, природно, малі і працюють при кімнатній температурі, вони повинні легко масштабуватись, як це потрібно для багатьох квантових технологій.