Ультратонкий чип от Гарварда может совершить революцию в квантовых вычислениях
Художественное представление метаповерхностных квантовых графов. Автор: Джошуа Морнхивег
Ключевые моменты:
- Новое исследование показывает, что метаповерхности могут использоваться как мощные линейные квантовые оптические сети
- Этот подход может устранить необходимость в волноводах и других традиционных оптических компонентах
- Теория графов помогает проектировать функциональность квантовых оптических сетей в единой метаповерхности
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. Фотоны запутываются (что позволяет им кодировать и обрабатывать квантовую информацию параллельно) через сложные сети этих оптических компонентов. Однако такие системы крайне сложно масштабировать из-за большого количества деталей и их несовершенства, необходимых для выполнения даже базовых вычислений.
Можно ли заменить все эти оптические компоненты единой плоской ультратонкой структурой из субволновых элементов, управляющих 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 и старшего научного сотрудника в области электротехники, создала специальные метаповерхности — плоские устройства с наноразмерными узорами, управляющими светом, — которые могут стать ультратонкой альтернативой для квантово-оптических чипов и систем.
Исследование было опубликовано в журнале Science и финансировалось Управлением научных исследований ВВС США (AFOSR).
Капассо и его команда показали, что метаповерхность может создавать сложные запутанные состояния фотонов для выполнения квантовых операций — подобно тем, что выполняются с помощью более крупных оптических устройств с множеством компонентов.
«Мы вносим значительный технологический вклад в решение проблемы масштабируемости, — сказал аспирант и первый автор исследования Керолос М.А. Юсеф. — Теперь мы можем миниатюризировать всю оптическую систему в единую метаповерхность, которая очень стабильна и надежна».
Метаповерхности: надежные и масштабируемые квантовые фотонные процессоры
Результаты исследования указывают на возможность создания принципиально новых квантовых оптических устройств, основанных не на традиционных сложных компонентах (таких как волноводы и светоделители), а на устойчивых к ошибкам метаповерхностях, которые обладают рядом преимуществ: отсутствие необходимости в точной настройке, устойчивость к внешним воздействиям, экономичность, простота изготовления и низкие оптические потери. В более широком смысле работа открывает путь к метаповерхностной квантовой оптике, которая, помимо создания квантовых компьютеров и сетей, работающих при комнатной температуре, может также улучшить квантовые сенсоры или предложить возможности «лаборатории на чипе» для фундаментальной науки.
Теория графов для проектирования метаповерхностей
Создание единой метаповерхности, способной точно управлять такими свойствами, как яркость, фаза и поляризация, представляло собой сложную задачу из-за математической сложности, возникающей при увеличении числа фотонов (и, следовательно, кубитов). Каждый дополнительный фотон создает множество новых путей интерференции, что в традиционной системе потребовало бы стремительного роста числа светоделителей и выходных портов.
Чтобы упорядочить сложность, исследователи обратились к теории графов — разделу математики, который использует точки и линии для представления связей и отношений. Представляя запутанные состояния фотонов в виде графов, они смогли визуализировать их взаимодействие и предсказать результаты экспериментов. Хотя теория графов применяется в некоторых типах квантовых вычислений и коррекции ошибок, ранее она не использовалась при проектировании метаповерхностей.
Исследование проводилось в сотрудничестве с лабораторией Марко Лончара, специализирующейся на квантовой оптике и интегральной фотонике, которая предоставила необходимые экспертизу и оборудование.
«Я в восторге от этого подхода, потому что он может эффективно масштабировать оптические квантовые компьютеры и сети — что всегда было их главной проблемой по сравнению с другими платформами, такими как сверхпроводники или атомы, — сказал научный сотрудник Нил Синклер. — Он также дает новое понимание проектирования и применения метаповерхностей, особенно для генерации и управления квантовым светом. С графовым подходом, в каком-то смысле, проектирование метаповерхности и квантовое состояние света становятся двумя сторонами одной медали».
Исследование получило поддержку от федеральных источников, включая AFOSR. Работа проводилась в Центре наносистем Гарвардского университета.
Источники:
sciencedaily.com
Материалы предоставлены Гарвардской школой инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.
0 комментариев