導讀

據奧地利維也納大學官網近日報道，該校與西班牙巴塞羅那光子科學研究所的物理學家們的最新研究表明，經過裁制的石墨烯結構能使單光子相互作用。他們在石墨烯納米帶中創造出等離激元，并在此基礎上構建出量子邏輯門。

背景

石墨烯，是一種性能卓越的二維材料，享有“新材料之王”的美譽。它是由單層碳原子組成的蜂窩狀結構。

從理論上講，石墨烯是最薄、最硬、強度最高的材料，厚度僅為人類發絲直徑的百萬分之一，硬度超過鉆石，強度勝過鋼鐵百倍。


創新

今天，筆者要帶大家一起看看，石墨烯如何帶來光學量子計算機方面的全新設計。

近日，奧地利維也納大學（UniversityofVienna）與西班牙巴塞羅那光子科學研究所的物理學家們的最新研究表明，經過裁制的石墨烯結構能使單光子相互作用。他們提議的新型量子計算機架構發表在最近一期的《npjQuantumInformation》期刊上。

技術

光子幾乎不與環境發生交互，因此成為存儲與傳輸量子信息的首要選擇。然而，正是由于這一特征，操控編碼在光子中的信息變得特別困難。為了構建光子量子計算機，一個光子必須在一秒鐘之內改變一次狀態。這種器件也稱為量子邏輯門，構造一個量子計算機需要數百萬個邏輯門。實現量子邏輯門的方法之一，就是采用一種所謂的“非線性材料”。兩個光子在這種材料中相互作用。不幸的是，標準的非線性材料效率太低，以至于無法構造量子邏輯門。

最近，科學家們意識到，非線性相互作用可以通過采用等離激元來大幅改善。在等離激元中，光線與材料表面的電子綁定到一起。然后，這些電子能幫助光子產生更強烈的相互作用。然而，標準材料中的等離激元，在量子效應產生之前就會衰退。

在新工作中，維也納大學教授菲利普·瓦爾特（PhilipWalther）領導的科學家團隊提議在石墨烯中創造等離激元。這種二維材料從十多年前被發現的那一刻起，就一直為我們帶來驚喜。作為這種特殊用途來說，石墨烯中電子的奇特配置，將導致極強的非線性相互作用，以及可以持續很長時間的等離激元。

在他們提議的石墨烯量子邏輯門中，科學家們表示如果在石墨烯納米帶中創造出單個等離激元，兩個不同納米帶中的等離激元可以通過它們的電場相互作用。由于每個等離激元處于自己的納米帶中，多個邏輯門可以應用到量子計算所需的等離激元上。這項研究的第一作者伊拉蒂·阿隆索·卡拉菲爾（IratiAlonsoCalafell）表示：“我們已經證明，石墨烯中強烈的非線性相互作用，使得兩個等離激元不可能落進同一個納米帶中。”

他們提議的方案利用了石墨烯的幾個特性，每個特性都已經被單獨地觀察。維也納大學的團隊目前正在相似的石墨烯基系統上進行實驗測量，通過現有技術確認他們設計的邏輯門的可行性。因為邏輯門本來很小，并且需要在室溫下操作，所以根據許多量子技術的要求，它應該需要很容易被按比例擴大。