Ett nytt material som består av ett enda ark kolatomer kan leda till nya konstruktioner för optiska kvantdatorer. Fysiker från universitetet i Wien och Institute of Photonic Sciences i Barcelona har visat att skräddarsydda grafenstrukturer gör att enstaka fotoner kan interagera med varandra. Den föreslagna nya arkitekturen för kvantdator publiceras i det senaste numret av npj Quantum Information .

Fotoner interagerar knappt med miljön, vilket gör dem till en ledande kandidat för lagring och överföring av kvantinformation. Samma funktion gör det särskilt svårt att manipulera information som är kodad i fotoner. För att bygga en fotonisk kvantdator, en foton måste ändra tillståndet för en sekund. En sådan anordning kallas en kvantlogikport, och miljontals logiska grindar kommer att behövas för att bygga en kvantdator. Ett sätt att uppnå detta är att använda ett så kallat 'olinjärt material' där två fotoner interagerar i materialet. Tyvärr, standard olinjära material är alldeles för ineffektiva för att bygga en kvantlogisk grind.

Det insåg nyligen att olinjära interaktioner kan förbättras kraftigt genom att använda plasmoner. I en plasmon, ljus binds till elektroner på materialets yta. Dessa elektroner kan sedan hjälpa fotonerna att interagera mycket starkare. Dock, plasmoner i standardmaterial förfaller innan de nödvändiga kvanteffekterna kan äga rum.

I deras nya verk, teamet av forskare under ledning av professor Philip Walther vid universitetet i Wien föreslår att skapa plasmoner i grafen. Detta 2-D-material som upptäcktes för knappt ett decennium sedan består av ett enda lager kolatomer arrangerade i en bikakestruktur, och, sedan dess upptäckt, det har inte slutat förvåna oss. För just detta ändamål, elektronernas speciella konfiguration i grafen leder till både en extremt stark olinjär interaktion och plasmoner som lever under exceptionellt lång tid.

I deras föreslagna grafenkvantlogikport, forskarna visar att om enstaka plasmoner skapas i nanoribbon gjorda av grafen, två plasmoner i olika nanoribbon kan interagera genom sina elektriska fält. Förutsatt att varje plasmon stannar i bandet kan flera portar appliceras på plasmonerna som krävs för kvantberäkning. "Vi har visat att den starka olinjära interaktionen i grafen gör det omöjligt för två plasmoner att hoppa in i samma band, "säger Irati Alonso Calafell, första författaren till studien.

Deras föreslagna system använder sig av flera unika egenskaper hos grafen, var och en har observerats individuellt. Teamet i Wien utför för närvarande experimentella mätningar på ett liknande grafenbaserat system för att bekräfta genomförbarheten av deras port med nuvarande teknik. Eftersom porten är naturligt liten, och fungerar vid rumstemperatur bör det lätt lämpa sig för att skalas upp, som krävs för många kvanttekniker.