Квантовые вычисления с графеновыми плазмонами

Новый материал, состоящий из одного слоя 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 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 воротами, и для построения квантового компьютера понадобятся миллионы логических ворот.

Одним из способов достижения этого является использование так называемого «нелинейного материала», в котором два фотона 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 еще 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.

В предложенном графеновом логическом элементе 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 ворот, что необходимо для квантовых вычислений. «Мы показали, что сильное нелинейное взаимодействие в графене не позволяет двум плазмонам перемещаться в одну и ту же ленту», — говорит Ирати Алонсо Калафель, автор исследования.

Предложенная схема использует несколько уникальных свойств графена, каждое из которых наблюдалось индивидуально. В настоящее время группа ученых проводит экспериментальные измерения на аналогичной системе на основе графена для подтверждения возможности использования ворот с использованием современных технологий. Поскольку ворота от природы малы и работают при комнатной температуре, они должны легко поддаваться масштабированию, как это требуется для многих квантовых технологий.

I. Alonso Calafell et al, Quantum computing with graphene plasmons. npj Quantum Information (2019). DOI: 10.1038/s41534-019-0150-2