石墨烯等离子体量子计算

一种由单个碳原子组成的新材料可能会导致光学量子计算机的新设计。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，定制的石墨烯结构能够使单个光子相互作用。新的量子计算机体系结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，这使得它们成为存储和传输量子信息的主要候选者。同样的特性使得操作光子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钟的状态。这种装置被称为量子逻辑门，需要数百万个逻辑门来构建量子计算机。实现这一点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。不幸的是，标准非线性材料的效率太低，无法建立量子逻辑门。

最近人们认识到，利用等离子体可以大大增强非线性相互作用。在等离子体中，光与物质表面的电子结合。这些电子可以帮助光子相互作用得更强烈。然而，标准材料中的等离子体在所需的量子效应发生之前就衰变了。

在他们的新工作中，维也纳大学的菲利普·沃尔特教授领导的科学家小组提议在石墨烯中产生等离子体。十年前发现的这种二维材料由排列成蜂窝状结构的单层碳原子组成，自发现以来，它并没有停止让我们惊讶。为此，石墨烯中电子的特殊结构导致了极强的非线性相互作用和寿命极长的等离子体。

在他们提出的石墨烯量子逻辑门中，科学家们表明，如果单个等离子体是在石墨烯制成的纳米带中产生的，则不同纳米带中的两个等离子体可以通过电场相互作用。只要每个等离子体保持在其带内，就可以将多个门应用于量子计算所需的等离子体。“我们已经证明，石墨烯中的强非线性相互作用使两个等离子体不可能跳到同一条带上，”这项工作的第一作者Irati Alonso Calafall证实。

他们提出的方案利用了石墨烯的几种独特性质，每种性质都是单独观察到的。维也纳的研究小组目前正在一个基于石墨烯的类似系统上进行实验测量，以确认他们的栅极采用当前技术的可行性。由于栅极是天然的小，并且在室温下工作，因此它很容易被放大，这是许多量子技术所要求的。