Un nuevo material basado en la creación de plasmones sobre el grafeno puede conducir a diseños revolucionarios para computadoras cuánticas ópticas.

Físicos de la Universidad de Viena y el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona han demostrado que las estructuras de grafeno adaptadas permiten que los fotones individuales interactúen entre sí. La nueva arquitectura propuesta para la computadora cuántica se publica en la edición reciente de npj Quantum Information.

Los fotones apenas interactúan con el entorno, lo que los convierte en un candidato líder para almacenar y transmitir información cuántica. Esta misma característica hace que sea especialmente difícil manipular la información que está 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 usar el denominado ‘material no lineal’ en el que dos fotones interactúan dentro del material. Desafortunadamente, los materiales no lineales estándar son demasiado ineficientes para construir una compuerta lógica cuántica.

Hace poco se dio cuenta de que las interacciones no lineales se pueden mejorar enormemente mediante el uso de plasmones. En un plasmón, la luz se une a los electrones en la superficie del material. Estos electrones pueden ayudar a los fotones a interactuar mucho más fuertemente. Sin embargo, los plasmones en los materiales estándar se desintegran antes de que puedan tener lugar los efectos cuánticos necesarios.

En su nuevo trabajo, el equipo de científicos dirigido por Philip Walther, profesor en la Universidad de Viena, propone crear plasmones en el 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 de abeja y, desde su descubrimiento, no ha dejado de sorprendernos. Para este propósito en particular, la configuración peculiar de los electrones en el grafeno conduce tanto a una interacción no lineal extremadamente fuerte como a plasmones que viven por un tiempo excepcionalmente largo.

En su puerta lógica cuántica de grafeno propuesta, los científicos muestran que si se crean plasmones individuales en nanocintas de grafeno, dos de ellos 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 a la misma cinta», dice en un comunicado Irati Alonso Calafell, primera autora del estudio.

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

Fuente: EP