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Langlebige Plasmonen

Konzept beschreibt Quantencomputer auf Graphen-Basis

Wissenschaftler der Universität Wien haben ein Quantencomputer-Konzept vorgestellt, das auf dem Wundermaterial Graphen basiert. Genutzt wird dafür eine besondere Eigenschaft des Materials, die Plasmonen mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht. In gewöhnlichen Materialien lassen sich zwar auch Plasmonen erzeugen, diese zerfallen jedoch bevor Quanteneffekte auftreten können und sind daher nicht geeignet.

Wien (Österreich). Physiker der Universität Wien haben im Fachmagazin npj Quantum Information ein Konzept eines Quantencomputers auf Basis von Graphen vorgestellt. Der optische Quantencomputer nutzt dabei spezielle Eigenschaften des auch als Wundermaterial bezeichneten Graphen, um wechselwirkende Photonenpaare als Informationsträger zu verwenden.

Aktuell konkurrieren noch verschiedene Konzepte darum, die Basis für die Entwicklung zukünftiger Quantencomputer zu bilden. Das Konzept der Wiener Physiker beschreibt einen photonischen Quantencomputer, bei dem Quanteninformationen mithilfe von Lichtteilchen ausgetauscht werden. Dies soll laut den Wissenschaftlern besonders gut funktionieren, da Photonen kaum Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung aufweisen und daher Quanteninformationen problemlos gespeichern und übertragen werden können.

Quantenlogik-Gatter

Damit photonische Quantencomputer funktionieren können, ist es nötig, dass ein Photon den Zustand eines anderen Photons ändern kann. Das Team rund um Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Philip Walther sieht in ihrem Konzept vor, dass die Informationsübertragung des Quantenlogik-Gatters durch eine Graphen-Schicht realisiert wird, die nur ein Kohlenstoff-Atom dick ist.

Die Wechselwirkung zwischen den Photonen wird durch den Einsatz von Plasmonen verstärkt. Plasmonen entstehen, wenn auf der Oberfläche des Materials Licht an Elektronen gebunden wird. Andere Materialien, die vor dem nun veröffentlichten Graphen-Konzept eingesetzt wurden, bilden zwar Plasmonen, deren Lebenszeit ist allerdings so kurz, dass der für einen Computer notwendige Quanteneffekte nicht auftreten kann.

Graphen mit langlebigen Plasmonen

Da Plasmonen im Graphen eine deutlich längere Lebensdauer haben, ist es möglich, dass zwei Plasmonen, die voneinander unabhängig auf zwei Graphen-Bändern existieren, durch ihre elektrischen Felder Wechselwirkungen erzeugen.

Irati Alonso Calafell, Erstautorin des Artikels erklärt, dass „unser Konzept des Graphen-Quantenlogik-Gatter gezeigt hat, dass die starke nichtlineare Wechselwirkung in Graphen es zwei Plasmonen unmöglich macht, in das gleiche Band zu springen.“

Im nächsten Schritt versuchen die Wissenschaftler nun ihr Konzept, das bisher nur in der Theorie existiert, mit aktuell verfügbaren Technologien zu belegen. Laut dem Team dürfte ihr Konzept außerdem leicht skalierbar seien, da es von Natur aus klein ist und bei Raumtemperatur funktioniert. Die Voraussetzungen für einen Quantencomputer wären damit gegeben.

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