石墨烯等离激元：可用于设计量子计算机

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。

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。

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（UniversityofVienna）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《npjQuantumInformation》期刊上。

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（PhilipWalther）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。

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（IratiAlonsoCalafell）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。”

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。