Метаповерхности могут стать новыми процессорами для квантовых вычислений

Художественное представление квантовых графов на метаповерхностях. Автор: Джошуа Морнхивег

В гонке за создание практичных квантовых компьютеров и сетей фотоны — фундаментальные частицы света — предлагают интригующие возможности в качестве быстрых носителей информации при комнатной температуре.

Обычно фотоны контролируются и переводятся в квантовые состояния с помощью волноводов на микрочипах или через громоздкие устройства из линз, зеркал и светоделителей. Запутывание фотонов, позволяющее им кодировать и обрабатывать квантовую информацию параллельно, происходит через сложные сети этих оптических компонентов. Однако такие системы крайне сложно масштабировать из-за большого количества деталей и их несовершенства.

Можно ли заменить все эти оптические компоненты единой ультратонкой метаповерхностью с наноразмерными элементами, управляющими светом аналогичным образом, но с гораздо меньшим количеством деталей?

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) сделали именно это. Команда под руководством Федерико Капассо, профессора прикладной физики, создала специальные метаповерхности — плоские устройства с наноразмерными узорами, управляющими светом, — которые могут стать ультратонкой альтернативой квантово-оптическим чипам.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Капассо и его команда показали, что метаповерхность может создавать сложные запутанные состояния фотонов для выполнения квантовых операций — подобно тем, что выполняются с помощью громоздких оптических устройств.

«Мы предлагаем важное технологическое преимущество в решении проблемы масштабируемости, — говорит аспирант и первый автор исследования Керолос М.А. Юсеф. — Теперь мы можем миниатюризировать всю оптическую систему в одну метаповерхность, которая очень стабильна и надежна».

Федерико Капассо и Керолос М.А. Юсеф с экспериментальной установкой. Автор: Capasso Lab / Harvard SEAS

Метаповерхности: надежные и масштабируемые процессоры для квантовой фотоники

Результаты исследования указывают на возможность создания революционных квантовых устройств, основанных не на традиционных сложных компонентах, таких как волноводы и светоделители, а на устойчивых к ошибкам метаповерхностях. Они обладают рядом преимуществ: не требуют точной юстировки, устойчивы к внешним воздействиям, экономичны, просты в изготовлении и имеют низкие оптические потери.

Эта работа открывает путь к созданию квантовых компьютеров, работающих при комнатной температуре, а также может быть полезна для квантовых сенсоров и миниатюрных лабораторий на чипе.

Теория графов в проектировании метаповерхностей

Для упрощения сложных расчетов исследователи использовали теорию графов — раздел математики, изучающий связи между объектами. Представляя запутанные состояния фотонов в виде графов, они смогли визуализировать их взаимодействие и предсказать результаты экспериментов.

«Этот подход может эффективно масштабировать оптические квантовые компьютеры и сети, что всегда было их главной проблемой по сравнению с другими платформами, — говорит исследователь Нил Синклер. — Он также дает новое понимание проектирования метаповерхностей для управления квантовым светом».

Дополнительная информация: Kerolos M. A. Yousef et al, Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adw8404

Источник: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences