原标题：又是石墨烯，这次对量子计算机下手了

光量子计算机背景介绍

2019年10月23日，谷歌在Nature上发表封面论文，介绍其拥有54个量子位的量子计算机Sycamore(悬铃木)。谷歌宣称Sycamore可以在“随机线路采样”中用200秒的时间完成世界上最先进的超级计算机Summit需要1万年才能完成的计算量。但谷歌的量子计算机芯片基于低温超导材料，需要在接近绝对零度的环境下工作(20 mK)，为其大规模商业化带来挑战。

谷歌的低温超导体量子计算机芯片。谷歌CEO桑达尔·皮查伊和Sycamore量子计算机。

2020年12月3日。中国科技大学潘建伟院士团队在Science上刊载文章，介绍“九章”量子计算机。九章拥有76个量子位，在高斯--玻色采样中(可以简单地理解为“小球落钉板”实验)，200秒可以完成了Fugaku(富岳)超级计算机6亿年的计算量。与谷歌Sycamore使用的低温超导材料不同，九章使用的芯片材料为周期性极化的钛氧基磷酸钾(periodically poled potassium titanyl phosphate PPKTP)，是一种常温光量子材料。

光量子材料是量子计算机的新宠。它有以下特点：1. 很多光量子材料可以在室温下实现量子计算，不要求超导材料的低温/高压极端条件。2. 光子很难跟环境发生相互作用，因此可以很好的保存和传输量子信息。但也因为其这个特点，对其中的量子信息进行操作也同样挑战。九章量子计算机采用的是线性光学构架(linear optical network)，该构架无法通过两个光子来实现逻辑门运算，需要额外光子的协助，这也使得进一步集成化变得困难。

九章光量子计算机

石墨烯等离体子作为非线性光学材料

非线性光学构架(nonlinear optical network)可以无需多余光子协助，实现单个光子尺度的相互作用，为光子逻辑门的集成化提供可能。而石墨烯(graphene)以其在非线性光学上的优越性能脱颖而出，成为很有前景的量子计算材料。维也纳大学的博士生Irati Alonso Calafell两年连发两篇Nature子刊，介绍以石墨烯等离体子(graphene plasmons)为基础的逻辑门电路进展。

在2019年刊载在Nature Quantum Information上的文章“Quantum computing with graphene plasmons”中，作者介绍了基于石墨烯等离体子(graphene plasmon)的非线性光学逻辑门构架。该逻辑门无需低温、真空等苛刻条件，尺寸为几百纳米。

图1 基于双光子逻辑门示意图。a. 正确结果输入为<1,1>，输出也应为<1,1>。b. 错误结果，输入为<1,1>输出为<2,0>。

在线性光学构架下的单个光子很难形成逻辑门电路，是由于单个光子遵循Hong-Ou-Mandel效应。Hong-Ou-Mandel效应描述为，当两个相同的光子(undistinguished photon)通过1：1分光器时(反射和透过的概率各为50%)，两个光子将总是一起以一种模式输出。即输入为<1,1>，输出为<2,0>(图1b)，这意味着逻辑门将总是输出错误结果。即使使用两个不同的光子(distinguished photon)，得到正确结果(图1a，输入为<1,1>，输出也应为<1,1>)的概率也只有50%。

文章作者提出的解决方案是使用非线性光学框架。介质的电极化强度(P)可以表示成入射光的电场强度(E)的多项式展开形式。一般情况下，我们可以忽略高阶项，认为两者呈线性关系。但当在极高的入射光电场强度下，某些物质内部P的高阶项无法被忽略，非线性作用出现。从而可以实现单个光子之间的相互作用，例如二次谐波和三次谐波等。石墨烯的强光学非线性，加之量子芝诺效应(quantum Zeno effect，即通过持续观察，阻止量子系统的演化。)可以实现双光子逻辑门100%的正确性。

(公式1)

石墨烯—金属分层材料对三次谐波的增强作用

近日，Irati Alonso Calafell在Nature Nanotechnology以“Giant enhancement of third-harmonic generation in graphene-metal heterostructures”为题发表文章，介绍一种石墨烯—金属分层材料(graphene-metal heterostructures)在非线性光学领域的优异性能。

实验样本如(图2a-c)所示，石墨烯上面附着一层由氧化铝或者氮化硼(h-BN)的单层薄膜，厚度为几纳米，上面排布宽度为W的金微带(gold microribbon)。实验设备如(图2d)所示，光子由左侧的差频生成器(difference-frequency generation, DFG)产生，通过几层过滤结构，照射在中间黄色的样品上。激发的光子由左侧的单光子检测器(superconduction-nanowire single-photon detector, SNSP)检测。实验中在Z方向移动样品，得到不同三次谐波的强度结果(图3左图)。我们可以明显看到，由石墨烯—金属分层材料发出的三次谐波信号明显增强。

图2 a, 石墨烯—金属分层材料的示意图，石墨上面附着一层由氧化铝或者氮化硼(h-BN)的单层薄膜，厚度为几纳米。c, 上面的黄色部分为金微带(gold microribbon)，中间有钛分隔材料。d, 实验装置示意图。

图3 左图，在Z方向移动样品得到的不同三次谐波(THG)信号强度。右图，在不同金微带宽度W下三次谐波系数的大小(见公式1)

石墨—金属分层材料的零一特点是，不仅可以通过改变金微带的宽度W来实现三次谐波的系数(图3右图)，还可以通过外部电压来调节三次谐波系数(图4)，这极大的增加了这种材料对非线性光的可控性。

图4，通过改变外部电压，对三次谐波系数进行调节。

小结：石墨烯和石墨烯—金属分层材料拥有出色的非线性光学属性，是光子逻辑门的非常理想的材料。石墨烯—金属分层材料展现出比单纯石墨烯本身更好的非线性光学属性。可以通过调节外部电压来调节这种材料的三次谐波系数，极大的增加了逻辑门原件的可控性。作者展望通过设计优化微带的形状和材料，其可控性和光学属性或可进一步增强。

参考文献：

Quantum computing with graphene plasmons DOI: 10.1038/s41534-019-0150-2

Giant enhancement of third-harmonic generation in graphene–metal heterostructures https://doi.org/10.1038/s41565-020-00808-w

Quantum computational advantage using photons

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770

Quantum supremacy using a programmable superconducting processor

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5返回搜狐，查看更多

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