Die nächste große technologische Revolution wird zweifelsfrei durch Entwicklungen in der Quantentechnologie eingeleitet werden. Um den erhofften Durchbruch von Quantencomputern zu ermöglichen, gibt es unterschiedliche physikalische Systeme und Herangehensweisen; von kalten Atomen und Ionen bis hin zu Photonen oder supraleitenden Schaltkreisen. Obwohl sich diese unterschiedlichen physikalischen Strukturen sehr stark voneinander unterscheiden, haben alle ihre eigenen Vor- und Nachteile was das Rennen, welches System sich schlussendlich durchsetzen wird, zum jetzigen Zeitpunkt völlig offenlässt. Photonische Quantencomputer haben aufgrund der geringen Wechselwirkung zwischen Photonen und ihrer Umgebung, und den damit verbundenen langen Kohärenzzeiten, das Potential, komplexe Quantenalgorithmen realisierbar zu machen. Schon jetzt werden Photonen in der Quanteninformationstechnologie genutzt, um Daten sicher, schnell und über große Distanzen hinweg übertragen zu können. Andererseits ist genau diese schwache Wechselwirkung zwischen einem Photon und seiner Umgebung, und damit auch jene zwischen einzelnen Photonen selbst, das größte Hindernis für photonische Quantencomputer; es fehlt bis heute an deterministischen Einzelphotonenquellen und Quantengattern. Diese Herausforderungen könnten jedoch durch den Einsatz von starken Nichtlinearitäten auf Einzelphotonenniveau überwunden werden. In dieser Dissertation beschäftige ich mich sowohl mit deterministischen Einzelphotonenquellen als auch mit Quantengattern unter Ausnutzung der starken optischen Nichtlinearität von Graphen. Ich zeige ein neues und universelles Quadratwurzel-SWAP-Gatter basierend auf Oberflächenplasmonen in Graphen-Nanobändern. Durch die starke Nichtlinearität dieser Struktur ist die Absorption von zwei Plasmonen stärker als jene eines einzelnen Plasmons; der damit einhergehende Zeno-Effekt verhindert, dass sich das System in Fehlerzustände des Gatters entwickelt. Unser vorgeschlagenes Gatter könnte uns durch dessen Erfolgswahrscheinlichkeit von 99% näher an ein deterministisches Quantengatter bringen, was unter anderem universelle und skalierbare Quanteninformationsverarbeitung ermöglichen würde. Die starke zeitgleiche Absorption von zwei Plasmonen, welche diese Gatter benötigt, basiert auf Graphens starker Nichtlinearität dritter Ordnung, die bisher zwar theoretisch vorausgesagt, aber experimentell noch nicht beobachtet wurde. In dieser Arbeit zeige ich unsere experimentelle Herangehensweise, um diesen Effekt dritter Ordnung durch die Kombination von Plasmonen in Graphen-Metall Heterostrukturen zu erforschen. Obwohl die von uns beobachtete Nichtlinearität noch nicht stark genug ist, um nichtlineare Effekte auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, so haben wir trotzdem eine Steigerung des Signals dritter Ordnung um den Faktor 1500 gemessen und zusätzlich experimentelle Beweise für die Existenz von Plasmonen in diesem Prozess gefunden. Dies zeigt eindeutig das Potential von Graphen, nichtlineare Effekte selbst auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, was wiederum deterministische Einzelphotonenquellen ermöglichen würde. Zusätzlich zur Forschung mit Graphen, haben wir im Laufe meiner Dissertation ein kontrafaktisches Kommunikationsprotokoll basierend auf dem Zeno Effekt realisiert. In diesem Protokoll trennen wir eine eigentliche Nachricht von dem Medium, das die Information trägt, sodass wir im Experiment Nachricht und Photonen als Informationsträger in unterschiedliche Richtungen schicken. Dieses Experiment wurde auf einer integrierten photonischen Plattform durchgeführt, deren Stabilität und Durchstimmbarkeit das kontrafaktische Überbringen einer Nachricht mit Einzelphotonen zwischen zwei Parteien ermöglichte. Die Bitfehlerrrate bei einer Nachrichtenübertragung zwischen Alice und Bob ist dabei kleiner als 1%.

There is no doubt that the next great technological revolution will be brought about by the development of quantum technology. There are different approaches to build a universal quantum computer; from cold atoms or trapped ions, all the way to photons or superconducting circuits. Although these architectures are quite disparate, they each have many advantages and disadvantages. Therefore, it is not yet clear which the winning horse will be. In photonic quantum computing, the weak interaction of photons with their environment provides extremely long coherence times that could enable the realization of complex and intricate quantum algorithms. On top of this, they already allow one to transmit quantum information over very long distances with unbeatable speed and security. However, at the same time, this weak interaction with their surroundings hinders photon-photon interactions. As a result, the main drawback of photonic quantum computing is the lack of deterministic single-photon sources and quantum logic gates. Nevertheless, these challenges could be overcome by strong nonlinearities at the single-photon level. In this thesis, I have worked both towards deterministic single-photon sources and quantum logic gates by taking advantage of the strong nonlinearity of graphene. On one hand, I propose a novel universal square-root of SWAP gate based on surface plasmons in graphene nanoribbons, whose strong nonlinearity provides a two-plasmon absorption larger than the single-plasmon absorption. This gives rise to a Zeno effect that prevents the system from evolving into failure states of the gate. The 99% success probability of our proposed gate could bring us closer to deterministic quantum gates, which would enable universal and scalable quantum computation. The strong two-plasmon absorption that this gate requires arises from the plasmon-assisted third-order nonlinearity in graphene, which has been predicted to be unprecedentedly high but has not yet been observed. To this end, we have experimentally explored the third-order nonlinearity in graphene by combining plasmons in graphene-metal heterostructures. Although the observed nonlinearity is not yet strong enough to drive nonlinear processes at the single-photon level, we measured an enhancement of 1500 on the third-harmonic signal and we found evidence of graphene plasmons present in the optical nonlinearity. This clearly indicates the potential of graphene to perform nonlinearities at the single-photon level. Finally, parallel to the graphene investigations, we have implemented the first counterfactual communication protocol that relies on the Zeno effect to transmit a message without a weak trace of the photons travelling in the same direction. This experiment was carried out on a silicon-on-insulator nanophotonic processor, whose stability and tunability allowed us to counterfactually send a message from Bob to Alice while single-photons traveled from Alice to Bob with a bit error rate below 1%.