Un nuovo materiale costituito da un singolo foglio di atomi di carbonio potrebbe portare a nuovi progetti per computer quantistici ottici. I fisici dell'Università di Vienna e dell'Istituto di scienze fotoniche di Barcellona hanno dimostrato che le strutture su misura del grafene consentono ai singoli fotoni di interagire tra loro. La nuova architettura proposta per i computer quantistici è pubblicata nel recente numero di npj Informazioni quantistiche .

I fotoni interagiscono a malapena con l'ambiente, rendendoli un candidato leader per l'archiviazione e la trasmissione di informazioni quantistiche. Questa stessa caratteristica rende particolarmente difficile manipolare le informazioni codificate in fotoni. Per costruire un computer quantistico fotonico, un fotone deve cambiare lo stato di un secondo. Tale dispositivo è chiamato una porta logica quantistica, e saranno necessari milioni di porte logiche per costruire un computer quantistico. Un modo per ottenere ciò è utilizzare un cosiddetto "materiale non lineare" in cui due fotoni interagiscono all'interno del materiale. Sfortunatamente, i materiali non lineari standard sono troppo inefficienti per costruire una porta logica quantistica.

È stato recentemente realizzato che le interazioni non lineari possono essere notevolmente migliorate utilizzando i plasmoni. In un plasmone, la luce è legata agli elettroni sulla superficie del materiale. Questi elettroni possono quindi aiutare i fotoni ad interagire molto più fortemente. Però, i plasmoni nei materiali standard decadono prima che possano aver luogo gli effetti quantistici necessari.

Nel loro nuovo lavoro, il team di scienziati guidato dal Prof. Philip Walther dell'Università di Vienna propone di creare plasmoni nel grafene. Questo materiale 2-D scoperto appena un decennio fa è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in una struttura a nido d'ape, e, dalla sua scoperta, non ha smesso di sorprenderci. A questo scopo particolare, la peculiare configurazione degli elettroni nel grafene porta sia a un'interazione non lineare estremamente forte che a plasmoni che vivono per un tempo eccezionalmente lungo.

Nella loro proposta porta logica quantistica al grafene, gli scienziati mostrano che se si creano singoli plasmoni in nanonastri fatti di grafene, due plasmoni in diversi nanonastri possono interagire attraverso i loro campi elettrici. A condizione che ogni plasmone rimanga nel suo nastro, più porte possono essere applicate ai plasmoni necessari per il calcolo quantistico. "Abbiamo dimostrato che la forte interazione non lineare nel grafene rende impossibile a due plasmoni di saltare nello stesso nastro, "dice Irati Alonso Calafell, primo autore dello studio.

Il loro schema proposto fa uso di diverse proprietà uniche del grafene, ognuno dei quali è stato osservato singolarmente. Il team di Vienna sta attualmente eseguendo misurazioni sperimentali su un sistema simile a base di grafene per confermare la fattibilità del loro cancello con la tecnologia attuale. Poiché il cancello è naturalmente piccolo, e funziona a temperatura ambiente, dovrebbe prestarsi facilmente ad essere ingrandito, come richiesto per molte tecnologie quantistiche.