用石墨烯等离子体进行量子计算

由单片碳原子组成的新材料可以为光学量子计算机带来新的设计。来自维也纳大学和巴塞罗那光子科学研究所的物理学家已经证明，定制的石墨烯结构使单光子能够相互作用。提出的量子计算机新架构发表在最近一期的npj量子信息中。

光子几乎不与环境相互作用，使它们成为存储和传输量子信息的主要候选者。同样的特征使得操纵光子中编码的信息特别困难。为了构建光子量子计算机，一个光子必须改变一秒的状态。这种器件被称为量子逻辑门，需要数百万个逻辑门来构建量子计算机。实现此目的的一种方法是使用所谓的“非线性材料”，其中两个光子在材料内相互作用。遗憾的是，标准非线性材料对于构建量子逻辑门的效率太低。

最近意识到通过使用等离子体可以极大地增强非线性相互作用。在等离子体中，光与材料表面上的电子结合。然后，这些电子可以帮助光子更强烈地相互作用。然而，标准材料中的等离子体在可能发生所需量子效应之前衰减。

在他们的新工作中，由维也纳大学的Philip Walther教授领导的科学家小组提议用石墨烯制造等离子体。这种二十年前发现的2D材料由一层排列成蜂窝状结构的碳原子组成，并且，自从它的发现以来，它并没有让我们感到惊讶。对于这个特殊目的，石墨烯中电子的特殊配置导致非常强的非线性相互作用和极短时间存在的等离子体。

在他们提出的石墨烯量子逻辑门中，科学家们表明，如果在由石墨烯制成的纳米带中产生单一的等离子体，不同纳米带中的两个等离子体可以通过它们的电场相互作用。假设每个等离子体激元停留在其带状物中，则可以将多个栅极应用于量子计算所需的等离子体。“我们已经证明，石墨烯中强烈的非线性相互作用使得两个等离子体不可能跳入同一条带”，这项工作的第一作者Irati Alonso Calafell证实了这一点。

他们提出的方案利用了石墨烯的几种独特性质，每种石墨烯都是单独观察到的。维也纳的团队目前正在对类似的石墨烯系统进行实验测量，以确认其门采用现有技术的可行性。由于栅极天然很小，并且在室温下工作，因此很容易按比例放大，这是许多量子技术所要求的。

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