导读

据奥地利维也纳大学官网近日报道，该校与西班牙巴塞罗那光子科学研究所的物理学家们的最新研究表明，经过裁制的石墨烯结构能使单光子相互作用。他们在石墨烯纳米带中创造出等离激元，并在此基础上构建出量子逻辑门。

背景

石墨烯，是一种性能卓越的二维材料，享有“新材料之王”的美誉。它是由单层碳原子组成的蜂窝状结构。

从理论上讲，石墨烯是最薄、最硬、强度最高的材料，厚度仅为人类发丝直径的百万分之一，硬度超过钻石，强度胜过钢铁百倍。

（图片来源：Red Orbit）

此外，石墨烯还具有良好的导电性、导热性、透光性以及柔性。未来，石墨烯将开启柔性电子、可穿戴设备以及物联网等领域的全新应用。

（图片来源：Graphene Flagship）

石墨烯柔性超级电容（图片来源：曼彻斯特大学）

石墨烯柔性NFC天线（图片来源: Graphene Flagship）

创新

今天，笔者要带大家一起看看，石墨烯如何带来光学量子计算机方面的全新设计。

近日，奥地利维也纳大学（University of Vienna）与西班牙巴塞罗那光子科学研究所的物理学家们的最新研究表明，经过裁制的石墨烯结构能使单光子相互作用。他们提议的新型量子计算机架构发表在最近一期的《npj Quantum Information》期刊上。

石墨烯基双光子逻辑门（图片来源：Thomas Rögelsperger，维也纳大学）

技术

光子几乎不与环境发生交互，因此成为存储与传输量子信息的首要选择。然而，正是由于这一特征，操控编码在光子中的信息变得特别困难。为了构建光子量子计算机，一个光子必须在一秒钟之内改变一次状态。这种器件也称为量子逻辑门，构造一个量子计算机需要数百万个逻辑门。实现量子逻辑门的方法之一，就是采用一种所谓的“非线性材料”。两个光子在这种材料中相互作用。不幸的是，标准的非线性材料效率太低，以至于无法构造量子逻辑门。

最近，科学家们意识到，非线性相互作用可以通过采用等离激元来大幅改善。在等离激元中，光线与材料表面的电子绑定到一起。然后，这些电子能帮助光子产生更强烈的相互作用。然而，标准材料中的等离激元，在量子效应产生之前就会衰退。

在新工作中，维也纳大学教授菲利普·瓦尔特（Philip Walther）领导的科学家团队提议在石墨烯中创造等离激元。这种二维材料从十多年前被发现的那一刻起，就一直为我们带来惊喜。作为这种特殊用途来说，石墨烯中电子的奇特配置，将导致极强的非线性相互作用，以及可以持续很长时间的等离激元。

纳米等离激元量子逻辑门的基本操作原理（图片来源：参考资料【1】）

在他们提议的石墨烯量子逻辑门中，科学家们表示如果在石墨烯纳米带中创造出单个等离激元，两个不同纳米带中的等离激元可以通过它们的电场相互作用。由于每个等离激元处于自己的纳米带中，多个逻辑门可以应用到量子计算所需的等离激元上。这项研究的第一作者伊拉蒂·阿隆索·卡拉菲尔（Irati Alonso Calafell）表示：“我们已经证明，石墨烯中强烈的非线性相互作用，使得两个等离激元不可能落进同一个纳米带中。”

由非线性纳米带组成的基于表面等离激元的 SWAP^1/2门（图片来源：参考资料【1】）

他们提议的方案利用了石墨烯的几个特性，每个特性都已经被单独地观察。维也纳大学的团队目前正在相似的石墨烯基系统上进行实验测量，通过现有技术确认他们设计的逻辑门的可行性。因为逻辑门本来很小，并且需要在室温下操作，所以根据许多量子技术的要求，它应该需要很容易被按比例扩大。

关键字

量子、石墨烯、纳米带、等离激元

参考资料

【1】I. Alonso Calafell, J. D. Cox, M. Radonjić, J. R. M. Saavedra, F. J. García de Abajo, L. A. Rozema, P. Walther. Quantum computing with graphene plasmons. npj Quantum Information, 2019; 5 (1) DOI: 10.1038/s41534-019-0150-2

【2】https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/quantum-computing-with-graphene-plasmons/

了解更多前沿技术，请点击“阅读原文”。