谷电子学是一个新兴领域，其中谷（固体能带结构中的局部最小值）能用于编码、处理和存储量子信息。尽管石墨烯因其对称结构而被认为不适合用于谷电子学，但来自印度孟买印度理工学院的研究人员最近的研究表明情况并非如此。他们的发现可能为能够在室温下运行的小型量子计算机铺平道路。

从消费者的角度来看，我们很容易就能注意到电子领域在过去几十年中取得的巨大进步。我们现在有了可穿戴设备、智慧城市、自动驾驶汽车、改进的太空任务、机器人、全息技术和超级计算机，技术进步的可能性似乎是无限的。然而，大多数人不知道的是，随着电子元件正达到其物理极限，这种由电子产品推动的技术进步加速趋势正在迅速停止。如果我们要不断提高我们的计算能力和容量，我们将需要找到新的方法来存储和处理数据，而不仅仅是通过电子的简单流动和电荷，这是现代电子产品的运作方式。

所以量子计算机最近成为了一个热门话题。通过在量子现象中编码信息，量子计算机超越了每个比特是“0”或“1”的二进制概念。相反，量子比特以“0”和“1”的叠加形式存在，因此可以取中间值。通过精心设计的算法并利用叠加，量子计算机理论上可以在速度方面比传统计算机高出几个数量级。可悲的是，科学家已经证明很难找到合适的量子现象以在室温下编码信息。现有的计算机，例如谷歌、IBM和微软所拥有的计算机，必须保持在低于–196.1摄氏度的超低温环境中，这使得它们的运行成本高昂且不切实际。

幸运的是，有一种非常有前途的量子信息编码方法正在积极探索中，这就是谷电子学。除了电荷之外，电子还幸运的是，有一种非常有前途的量子信息编码方法正在积极探索中：谷电子学。除了电荷之外，电子还有另一个可以操纵的参数，即它们的“谷赝自旋”，这是一种电子占据的谷。这些所谓的谷是固体能带中的局部最小值，它决定了电子的能量状态和位置。山谷的占据状态由量子力学控制，可用于在限制较少的温度下编码、处理和存储量子信息。

近日，来自印度孟买的印度理工学院和德国马克斯·玻恩研究所的科学家团队在谷电子学领域取得了突破。在发表在《Optica》上的最新研究中，他们提出了一种在单层或原始石墨烯中执行谷操作的方法，而该领域的其他研究人员认为这是不可能的。作为碳纳米材料的典型代表，石墨烯由碳原子以六边形构成，具有多种有利特性。石墨烯的原子薄层具有电子谷，但由于材料固有的对称性，它们被认为无法对其谷进行操作。

尽管困难重重，该团队还是提出了一种利用光打破石墨烯谷对称性的策略。领导这项研究的印度理工学院副教授Gopal Dixit解释说：“通过根据石墨烯的三角晶格来调整两束光的偏振，我们发现可以打破两个相邻碳原子之间的对称性，并在靠近山谷的地区利用导致山谷极化的电子能带结构。”换句话说，这使得能够使用石墨烯的谷进行有效地“写入”信息。Dixit博士还强调，闪光可以导致电子每秒摆动数百万亿次。从理论上讲，这意味着在拍赫兹（petahertz）速率下的谷电子学是可能的。

在石墨烯中进行谷操作最吸引人的方面之一是它可以在室温下进行。Dixit博士评论道：“我们的工作可以为普通人使用的微型通用量子计算机打开大门，就像笔记本电脑一样大。随着量子计算机提供更高的计算速度，执行分子模拟、大数据分析、深度学习和其他计算密集型任务的速度会快得多。反过来，这将加速新药的开发和分子结构的阐明，将有助于寻找治疗包括COVID-19在内的复杂疾病的方法。(编译:Qtech)