Плазмоны и Графен — основа архитектуры квантовых компьютеров

Графен, материал, состоящий из единственного слоя атомов углерода, может стать основой для будущих оптических квантовых компьютеров благодаря работе исследователей из Венского университета и Института фотоники, Барселона. Эти исследователи продемонстрировали, что графеновые структуры, «скроенные» особым образом, позволяют единичным фотонам эффективно взаимодействовать друг с другом. И на основе этого эффекта была разработана новая архитектура для оптического квантового компьютера, описание которой опубликовано в разделе «Quantum Information» онлайн-варианта журнала «Nature».

Известно, что фотоны достаточно хорошо взаимодействуют с любыми другими материалами, однако, они практически не взаимодействуют друг с другом, даже проходя одновременно через одну и ту же область пространства. Это, с одной стороны, делает фотоны идеальным носителем для хранения и переноса квантовой информации. С другой стороны, для создания фотонного квантового компьютера требуется, чтобы имелась возможность изменения состояния одного фотона на основе информации, закодированной в другом фотоне. 

Такое устройство, в недрах которого происходит взаимодействие фотонов, называют квантовым логическим элементом, и для создания универсального квантового компьютера могут потребоваться миллионы таких элементов. Одним из способов реализации взаимодействия между фотонами является использование так называемых нелинейных материалов, материалов, имеющих нелинейные оптические свойства. К сожалению, все нелинейные материалы естественного происхождения не обладают эффективностью, требуемой для создания квантовых логических элементов.

Для реализации взаимодействия между фотонами ученые из Венского университета предложили использовать плазмоны, искусственно создаваемые на поверхности графена. Напомним нашим читателям, что графен, состоящий из единственного слоя атомов углерода, является одним из первых условно двумерных материалов. Он был открыт чуть больше десятилетия назад, и, начиная с того момента, ученые постоянно находят какие-то удивительные и экзотические вещи, связанные с данным материалом. В данном случае используется весьма необычная электронная конфигурация графена, которая обуславливает возможность создания на его поверхности плазмонов, «живущих» достаточно длительное время.

Плазмоны, о которых упоминалось чуть выше, уже используются для создания нелинейных взаимодействий между фотонами света. С физической точки зрения плазмоны являются колеблющимися облаками свободных электронов, возбужденных фотонами света, упавшего на поверхность металла, другими словами, они являются «симбиозом» материи и света. Однако, плазмоны, возникающие на поверхности металлов естественного происхождения, серебра и золота, к примеру, распадаются столь быстро, что это не позволяет создать необходимые квантовые эффекты с их участием.

В своих экспериментах ученые показали, что на поверхности графеновой наноленты можно создать плазмон, отличающийся особой стабильностью. А два таких плазмона, размещенные в непосредственной близости, начинают эффективно взаимодействовать при помощи собственных электрических полей. И если несколько плазмонов расположить в необходимом порядке, то можно создать квантовый логический элемент, выполняющий одну из функций, необходимых для квантовых вычислений. «Мы показали, что сильные нелинейные взаимодействия в графене лишают плазмоны возможности перепрыгнуть с одной наноленты на другую, что позволяет сохранить стабильность их взаимного расположения» — пишут исследователи.

Предложенная учеными схема, лежащая в основе новой архитектуры квантовых компьютеров, использует сразу несколько уникальных свойств графена, благодаря чему квантовые логические элементы обладают малыми размерами, способностью работать при комнатной температуре и рядом других положительных свойств. А группа из Венского университета занимается сейчас экспериментальными исследованиями, проводимыми на опытной квантовой системе, целью которых является разработка технологии изготовления квантовых логических элементов при помощи существующих технологических процессов, используемых для производства полупроводниковых чипов.