導(dǎo)讀

據(jù)奧地利維也納大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校與西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所的物理學(xué)家們的最新研究表明，經(jīng)過(guò)裁制的石墨烯結(jié)構(gòu)能使單光子相互作用。他們?cè)谑┘{米帶中創(chuàng)造出等離激元，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)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(yù)。它是由單層碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

從理論上講，石墨烯是最薄、最硬、強(qiáng)度最高的材料，厚度僅為人類發(fā)絲直徑的百萬(wàn)分之一，硬度超過(guò)鉆石，強(qiáng)度勝過(guò)鋼鐵百倍。


創(chuàng)新

今天，筆者要帶大家一起看看，石墨烯如何帶來(lái)光學(xué)量子計(jì)算機(jī)方面的全新設(shè)計(jì)。

近日，奧地利維也納大學(xué)（UniversityofVienna）與西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所的物理學(xué)家們的最新研究表明，經(jīng)過(guò)裁制的石墨烯結(jié)構(gòu)能使單光子相互作用。他們提議的新型量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)發(fā)表在最近一期的《npjQuantumInformation》期刊上。

技術(shù)

光子幾乎不與環(huán)境發(fā)生交互，因此成為存儲(chǔ)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(gòu)建光子量子計(jì)算機(jī)，一個(gè)光子必須在一秒鐘之內(nèi)改變一次狀態(tài)。這種器件也稱為量子邏輯門，構(gòu)造一個(gè)量子計(jì)算機(jī)需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)邏輯門。實(shí)現(xiàn)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(gè)光子在這種材料中相互作用。不幸的是，標(biāo)準(zhǔn)的非線性材料效率太低，以至于無(wú)法構(gòu)造量子邏輯門。

最近，科學(xué)家們意識(shí)到，非線性相互作用可以通過(guò)采用等離激元來(lái)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(chǎn)生更強(qiáng)烈的相互作用。然而，標(biāo)準(zhǔn)材料中的等離激元，在量子效應(yīng)產(chǎn)生之前就會(huì)衰退。

在新工作中，維也納大學(xué)教授菲利普·瓦爾特（PhilipWalther）領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)提議在石墨烯中創(chuàng)造等離激元。這種二維材料從十多年前被發(fā)現(xiàn)的那一刻起，就一直為我們帶來(lái)驚喜。作為這種特殊用途來(lái)說(shuō)，石墨烯中電子的奇特配置，將導(dǎo)致極強(qiáng)的非線性相互作用，以及可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間的等離激元。

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

他們提議的方案利用了石墨烯的幾個(gè)特性，每個(gè)特性都已經(jīng)被單獨(dú)地觀察。維也納大學(xué)的團(tuán)隊(duì)目前正在相似的石墨烯基系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)確認(rèn)他們?cè)O(shè)計(jì)的邏輯門的可行性。因?yàn)檫壿嬮T本來(lái)很小，并且需要在室溫下操作，所以根據(jù)許多量子技術(shù)的要求，它應(yīng)該需要很容易被按比例擴(kuò)大。