محاسبات کوانتمی از طریق پلاسمون‌های گرافن

موادی جدید که شامل یک لایه (صفحه) از اتم‌های کربن هستند قادرند تا طراحی‌های جدیدی برای کامپیوترهای کوانتمی اپتیکی ایجاد کنند. فیزیکدانان دانشگاه وین و موسسه فوتونیک بارسلون نشان دادند که ساختارهای گرافنی بریده شده این امکان را به تک فوتون‌ها می‌دهد تا با یکدیگر اندرکنش داشته باشند. معماری جدید پیشنهاد شده برای کامپیوترهای کوانتمی، اخیرا در مجله npj quantum information به چاپ رسیده است.

فوتونهایی که به ندرت با محیط اطراف خود برهم کنش میکنند می‌توانند به عنوان کاندید مهمی به منظور ذخیره سازی و انتقال اطلاعات کوانتمی در نظر گرفته شوند. در این وضعیت امکان دستکاری کردن اطلاعات که بر روی فوتون‌های کد شده است؛ مشکل خواهد شد. به منظور ساخت کامپیوتر کوانتمی فوتونیکی، یک فوتون باید حالت فوتون دیگر را تغییر دهد. چنین دستگاهی گیت منظقی کوانتمی نامیده می‌شود. میلیون‌ها گیت منظقی نیاز است تا یک کامپیوتر کوانتمی ساخته شود. یکی از روش‌ها برای دستیابی به چنین گیتی استفاده از " مواد غیرخطی" است که در آن دو فوتون درون ماده اندرکنش می‌کنند. متاسفانه، مواد غیر خطی استاندارد به منظور ساخت گیت منطقی کوانتمی بسیار ناکارآمد هستند.

اخیرا به این نتیجه و درک رسیده شده است که تعامل‌های غیرخطی با استفاده از پلاسمون به شدت افزایش می‌یابد. در یک پلاسمون، نور به الکترون‌های روی سطح مواد محدود می‌شود. سپس این الکترون‌ها می‌توانند به فوتون‌ها کمک کنند تا اندرکنش‌های خیلی قوی داشته باشند. هرچند، پلاسمون‌ها در مواد استاندارد قبل از اینکه اثرهای کوانتمی مورد نیاز به وقوع بپیوندند؛ میرا می‌شوند.

در کاری جدید، تیمی از محققان با راهنمایی پروفسور فیلیپ والتر[۱] در دانشگاه وین پیشنهاد تولید پلاسمون‌های گرافن را دادند. این ماده دو بعدی دریک دهه قبل به سختی کشف شد که شامل یک لایه از اتم‌های کربن که در ساختار لانه زنبوری مرتب شده اند می‌باشد.  از زمان کشف، هنوز گرافن شگفتی ساز است. برای این هدف خاص، شکل عجیب و غریب الکترون‌ها درگرافن ویژگی خاصی دارد که هم منجر به اندرکنش‌های غیرخطی قوی می‌شود و هم پلاسمون‌های آن برای مدت زمان طولانی تر دوام می‌آورند.

در گیت منطقی کوانتمی بر پایه گرافن پیشنهاد شده، دانشمندان نشان دادند که اگر تک پلاسمون‌ها در نانو نواری ساخته شده از گرافن تولید شوند آنگاه دو پلاسمون در نانوروبان‌های مختلف می‌توانند از طریق میدان الکتریکی شان تعامل کنند. به شرطی اینکه، هر پلاسمون در گیت‌های چندگانه روبان خودش بتواند به پلاسمون‌هایی که قرار است محاسبات کوانتمی را انجام دهند؛ اعمال شود. ایراتی آلونسو کالافل[۲]، نویسنده اول مقاله، می‌گوید:" ما نشان دادیم که اندرکنش غیرخطی قوی در گرافن این امکان را از دو پلاسمون می‌گیرد که به یک روبان مشابه بپرند".

طرح پیشنهادی آن‌ها، استفاده از چندین ویژگی منحصر به فرد گرافن را میسر می‌سازد که هر کدام از آن ویژگی‌ها قبلا به تنهایی دیده شده است. تیم تحقیقاتی وین، اخیرا اندازه گیری‌های تجربی را بر روی سیستم گرافن- پایه مشابه اجرا کرده است  تا امکان سنجی گیت آن‌ها را با تکنولوژی امروز تایید کند. به این دلیل که این گیت خیلی کوچک است و در دمای اتاق کار می‌کند. به آسانی می‌تواند در مقیاس‌های بزرگتر به منظور کاربردهای تکنولوژی کوانتمی مورد نیاز نیز تولید شود.

 

مترجم خبر: آقای سیدمحمود اشرفی

لینک خبر:

https://phys.org/news/2019-05-quantum-graphene-plasmons.html

 

۱Prof.‎ Philip Walter

۲ Irati Alonso Calafell