Een nieuw materiaal dat uit een enkele laag koolstofatomen bestaat, zou kunnen leiden tot nieuwe ontwerpen voor optische kwantumcomputers. Natuurkundigen van de Universiteit van Wenen en het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona hebben aangetoond dat op maat gemaakte grafeenstructuren het mogelijk maken dat afzonderlijke fotonen met elkaar interageren. De voorgestelde nieuwe architectuur voor kwantumcomputer is gepubliceerd in het recente nummer van npj Quantum-informatie .

Fotonen hebben nauwelijks interactie met de omgeving, waardoor ze een vooraanstaande kandidaat zijn voor het opslaan en verzenden van kwantuminformatie. Deze zelfde functie maakt het bijzonder moeilijk om informatie te manipuleren die is gecodeerd in fotonen. Om een ​​fotonische kwantumcomputer te bouwen, een foton moet de toestand van een seconde veranderen. Zo'n apparaat wordt een kwantumlogische poort genoemd, en er zullen miljoenen logische poorten nodig zijn om een ​​kwantumcomputer te bouwen. Een manier om dit te bereiken is het gebruik van een zogenaamd 'niet-lineair materiaal' waarin twee fotonen interageren in het materiaal. Helaas, standaard niet-lineaire materialen zijn veel te inefficiënt om een ​​kwantumlogische poort te bouwen.

Onlangs werd gerealiseerd dat niet-lineaire interacties sterk kunnen worden verbeterd door plasmonen te gebruiken. In een plasmon, licht is gebonden aan elektronen op het oppervlak van het materiaal. Deze elektronen kunnen dan de fotonen helpen om veel sterker op elkaar in te werken. Echter, plasmonen in standaardmaterialen vervallen voordat de benodigde kwantumeffecten kunnen plaatsvinden.

In hun nieuwe werk het team van wetenschappers onder leiding van prof. Philip Walther van de Universiteit van Wenen stelt voor om plasmonen in grafeen te maken. Dit 2D-materiaal dat amper tien jaar geleden werd ontdekt, bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatstructuur, en, sinds zijn ontdekking, het is ons niet blijven verbazen. Voor dit specifieke doel, de eigenaardige configuratie van de elektronen in grafeen leidt tot zowel een extreem sterke niet-lineaire interactie als tot plasmonen die uitzonderlijk lang leven.

In hun voorgestelde grafeen quantum logic gate, de wetenschappers laten zien dat als enkele plasmonen worden gemaakt in nanoribbons gemaakt van grafeen, twee plasmonen in verschillende nanoribbons kunnen interageren via hun elektrische velden. Op voorwaarde dat elk plasmon in zijn lint blijft, kunnen meerdere poorten worden toegepast op de plasmonen die nodig zijn voor kwantumberekening. "We hebben aangetoond dat de sterke niet-lineaire interactie in grafeen het onmogelijk maakt voor twee plasmonen om in hetzelfde lint te springen, " zegt Irati Alonso Calafell, eerste auteur van de studie.

Hun voorgestelde schema maakt gebruik van verschillende unieke eigenschappen van grafeen, die elk afzonderlijk zijn waargenomen. Het team in Wenen voert momenteel experimentele metingen uit op een soortgelijk op grafeen gebaseerd systeem om de haalbaarheid van hun poort met de huidige technologie te bevestigen. Omdat de poort van nature klein is, en werkt bij kamertemperatuur, het zou zich gemakkelijk moeten lenen om opgeschaald te worden, zoals vereist is voor veel kwantumtechnologieën.