Такий пристрій, у надрах якого відбувається взаємодія фотонів, називають квантовим логічним елементом, і для створення універсального квантового комп’ютера можуть знадобитися мільйони таких елементів. Одним із способів реалізації взаємодії між фотонами є використання так званих нелінійних матеріалів, матеріалів, що мають нелінійні оптичні властивості. На жаль, всі нелінійні матеріали природного походження не володіють ефективністю, необхідною для створення квантових логічних елементів.

Для реалізації взаємодії між фотонами вчені з Віденського університету запропонували використовувати плазмони, штучно створювані на поверхні графену. Нагадаємо, що графен, який складається з єдиного шару атомів вуглецю, є одним з перших умовно двовимірних матеріалів. Він був відкритий трохи більше десятиліття тому, і, починаючи з того моменту, вчені постійно винаходять якісь дивні й екзотичні речі, пов’язані з цим матеріалом. В даному випадку використовується досить незвичайна електронна конфігурація графена, яка обумовлює можливість створення на його поверхні плазмонів, які “живуть” досить тривалий час.

Плазмони, про які згадувалося вище, вже використовуються для створення нелінійних взаємодій між фотонами світла. З фізичної точки зору плазмони є хмарами вільних електронів, розворушених фотонами світла, що попало на поверхню металу, іншими словами, вони є “симбіозом” матерії і світла. Однак, плазмони, що виникають на поверхні металів природного походження, срібла і золота, наприклад, розпадаються настільки швидко, що це не дозволяє створити необхідні квантові ефекти за їх участі.

У своїх експериментах учені показали, що на поверхні графенової нанострічки можна створити плазмон, що відрізняється особливою стабільністю. А два таких плазмона, розміщені в безпосередній близькості, починають ефективно взаємодіяти за допомогою власних електричних полів. І якщо кілька плазмонів розташувати в необхідному порядку, то можна створити квантовий логічний елемент, що виконує одну з функцій, необхідних для квантових обчислень.

“Ми показали, що сильні нелінійні взаємодії в графені позбавляють плазмони можливості перестрибнути з однієї нанострічки на іншу, що дозволяє зберегти стабільність їх взаємного розташування” – пишуть дослідники.

Запропонована вченими схема, що лежить в основі нової архітектури квантових комп’ютерів, використовує відразу кілька унікальних властивостей графену, завдяки чому квантові логічні елементи володіють малими розмірами, здатністю працювати при кімнатній температурі і рядом інших позитивних властивостей. А група з Віденського університету займається зараз експериментальними дослідженнями, проведеними на дослідній квантової системі, метою яких є розробка технології виготовлення квантових логічних елементів за допомогою існуючих технологічних процесів, що використовуються для виробництва напівпровідникових чіпів.

Джерело