Un nouveau matériau constitué d'une seule feuille d'atomes de carbone pourrait conduire à de nouvelles conceptions d'ordinateurs quantiques optiques. Des physiciens de l'Université de Vienne et de l'Institut des sciences photoniques de Barcelone ont montré que des structures de graphène sur mesure permettent à des photons uniques d'interagir les uns avec les autres. La nouvelle architecture proposée pour l'ordinateur quantique est publiée dans le récent numéro de Informations quantiques npj .

Les photons interagissent à peine avec l'environnement, ce qui en fait un candidat de choix pour le stockage et la transmission d'informations quantiques. Cette même caractéristique rend particulièrement difficile la manipulation des informations codées dans les photons. Afin de construire un ordinateur quantique photonique, un photon doit changer l'état d'une seconde. Un tel dispositif est appelé une porte logique quantique, et des millions de portes logiques seront nécessaires pour construire un ordinateur quantique. Une façon d'y parvenir est d'utiliser un "matériau non linéaire" dans lequel deux photons interagissent au sein du matériau. Malheureusement, les matériaux non linéaires standard sont beaucoup trop inefficaces pour construire une porte logique quantique.

On s'est récemment rendu compte que les interactions non linéaires peuvent être grandement améliorées en utilisant des plasmons. Dans un plasmon, la lumière est liée aux électrons à la surface du matériau. Ces électrons peuvent alors aider les photons à interagir beaucoup plus fortement. Cependant, les plasmons dans les matériaux standard se désintègrent avant que les effets quantiques nécessaires puissent avoir lieu.

Dans leur nouveau travail, l'équipe de scientifiques dirigée par le professeur Philip Walther de l'Université de Vienne propose de créer des plasmons dans le graphène. Ce matériau 2D découvert il y a à peine une dizaine d'années est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone disposés selon une structure en nid d'abeille, et, depuis sa découverte, cela n'a pas fini de nous surprendre. A cet effet particulier, la configuration particulière des électrons dans le graphène conduit à la fois à une interaction non linéaire extrêmement forte et à des plasmons qui vivent pendant une durée exceptionnellement longue.

Dans leur proposition de porte logique quantique en graphène, les scientifiques montrent que si des plasmons uniques sont créés dans des nanorubans fabriqués à partir de graphène, deux plasmons dans des nanorubans différents peuvent interagir grâce à leurs champs électriques. À condition que chaque plasmon reste dans son ruban, plusieurs portes peuvent être appliquées aux plasmons, ce qui est nécessaire pour le calcul quantique. "Nous avons montré que la forte interaction non linéaire dans le graphène rend impossible pour deux plasmons de sauter dans le même ruban, " dit Irati Alonso Calafell, premier auteur de l'étude.

Le schéma proposé utilise plusieurs propriétés uniques du graphène, dont chacun a été observé individuellement. L'équipe de Vienne effectue actuellement des mesures expérimentales sur un système similaire à base de graphène pour confirmer la faisabilité de leur porte avec la technologie actuelle. Puisque la porte est naturellement petite, et fonctionne à température ambiante, il devrait se prêter facilement à une mise à l'échelle, comme cela est requis pour de nombreuses technologies quantiques.