Un material novedoso que consta de una sola hoja de átomos de carbono podría dar lugar a nuevos diseños de computadoras cuánticas ópticas. Físicos de la Universidad de Viena y el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona han demostrado que las estructuras de grafeno a medida permiten que fotones individuales interactúen entre sí. La nueva arquitectura propuesta para la computadora cuántica se publica en el número reciente de npj Información cuántica .

Los fotones apenas interactúan con el medio ambiente, convirtiéndolos en un candidato líder para almacenar y transmitir información cuántica. Esta misma característica hace que sea especialmente difícil manipular la información codificada en fotones. Para construir una computadora cuántica fotónica, un fotón debe cambiar el estado de un segundo. Tal dispositivo se llama puerta lógica cuántica, y se necesitarán millones de puertas lógicas para construir una computadora cuántica. Una forma de lograr esto es utilizar un "material no lineal" en el que dos fotones interactúan dentro del material. Desafortunadamente, Los materiales no lineales estándar son demasiado ineficientes para construir una puerta lógica cuántica.

Recientemente se descubrió que las interacciones no lineales pueden mejorarse en gran medida mediante el uso de plasmones. En un plasmón la luz está ligada a los electrones en la superficie del material. Estos electrones pueden ayudar a los fotones a interactuar con mucha más fuerza. Sin embargo, los plasmones en materiales estándar se desintegran antes de que puedan tener lugar los efectos cuánticos necesarios.

En su nuevo trabajo, el equipo de científicos dirigido por el profesor Philip Walther de la Universidad de Viena propone crear plasmones en grafeno. Este material 2-D descubierto hace apenas una década consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura de panal. y, desde su descubrimiento, no ha dejado de sorprendernos. Para este propósito particular, la configuración peculiar de los electrones en el grafeno conduce tanto a una interacción no lineal extremadamente fuerte como a plasmones que viven durante un tiempo excepcionalmente largo.

En su puerta lógica cuántica de grafeno propuesta, los científicos muestran que si se crean plasmones individuales en nanocintas hechas de grafeno, dos plasmones en nanocintas diferentes pueden interactuar a través de sus campos eléctricos. Siempre que cada plasmón permanezca en su cinta, se pueden aplicar múltiples puertas a los plasmones que se requieren para el cálculo cuántico. "Hemos demostrado que la fuerte interacción no lineal en el grafeno hace imposible que dos plasmones salten en la misma cinta, "dice Irati Alonso Calafell, primer autor del estudio.

Su esquema propuesto hace uso de varias propiedades únicas del grafeno, cada uno de los cuales se ha observado individualmente. El equipo de Viena está realizando actualmente mediciones experimentales en un sistema similar basado en grafeno para confirmar la viabilidad de su puerta con la tecnología actual. Dado que la puerta es naturalmente pequeña, y funciona a temperatura ambiente, debería prestarse fácilmente a ampliaciones, como se requiere para muchas tecnologías cuánticas.