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。
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。