Квантовые вычисления с графеновыми плазмонами


Новый материал, состоящий из одного листа атомов углерода, может привести к новым разработкам для оптических квантовых компьютеров. Физики из Венского университета и Института фотонных наук в Барселоне показали, что специально разработанные графеновые структуры позволяют одиночным фотонам взаимодействовать друг с другом. Предложенная новая архитектура для квантового компьютера опубликована в недавнем выпуске npj Quantum Information .

Фотоны практически не взаимодействуют с окружающей средой, что делает их ведущим кандидатом для хранения и передачи квантовой информации. Эта же особенность делает особенно сложным манипулирование информацией, которая кодируется в фотонах. Чтобы построить фотонный квантовый компьютер, один фотон должен изменить состояние второго. Такое устройство называется квантовыми логическими вентилями, и для построения квантового компьютера понадобятся миллионы логических вентилей . Одним из способов достижения этого является использование так называемого « нелинейного материала », в котором два материала взаимодействуют внутри материала. К сожалению, стандартные нелинейные материалы слишком неэффективны, чтобы построить квантовые логические элементы.

Недавно было понято, что нелинейные взаимодействия могут быть значительно усилены с помощью плазмонов. В плазмоне свет связан с электронами на поверхности материала. Эти электроны могут затем помочь фотонам взаимодействовать намного сильнее. Однако плазмоны в стандартных материалах распадаются до того, как могут возникнуть необходимые квантовые эффекты.

В своей новой работе команда ученых во главе с профессором Филиппом Вальтером из Венского университета предлагает создать плазмоны в графене. Этот двумерный материал, обнаруженный всего десять лет назад, состоит из одного слоя атомов углерода, расположенных в виде сотовой структуры, и с момента своего открытия он не переставал удивлять нас. Для этой конкретной цели особая конфигурация электронов в графене приводит как к чрезвычайно сильному нелинейному взаимодействию, так и к плазмонам, которые живут исключительно долго.

Схема двухфотонного затвора на основе графена. Предоставлено: Венский университет, созданный Томасом Рёгельспергером.
В своем предложенном графеновом логическом элементе графена ученые показывают, что если одиночные плазмоны создаются в нанолентах, изготовленных из графена, два плазмона в разных нанолентах могут взаимодействовать через свои электрические поля. При условии, что каждый плазмон остается на своей ленте, к плазмонам можно применить несколько затворов, что необходимо для квантовых вычислений. «Мы показали, что сильное нелинейное взаимодействие в графене не позволяет двум плазмонам прыгать в одну и ту же ленту», - говорит Ирати Алонсо Калафель, первый автор исследования.

Их предложенная схема использует несколько уникальных свойств графена, каждое из которых наблюдалось индивидуально. Команда в Вене в настоящее время проводит экспериментальные измерения на аналогичной системе на основе графена, чтобы подтвердить выполнимость их ворот с использованием современной технологии. Поскольку ворота, естественно, малы и работают при комнатной температуре, они должны легко масштабироваться, как это требуется для многих квантовых технологий.

Источник: https://phys.org/news/2019-05-quantum-graphene-plasmons.html


Comments 0