Інженери Гарвардського університету здійснили прорив у квантових технологіях, створивши надтонку метаповерхню, яка здатна замінити традиційні масивні оптичні установки для квантових обчислень. Така розробка дозволяє вмістити функціонал у компактний чип, що суттєво спрощує та здешевлює квантові системи.
Про це розповідає ProIT
Метаповерхня: альтернатива громіздким квантовим системам
Фотони, що складають основу світла, стають все більш перспективними для швидкого передавання інформації у квантових обчисленнях. До цього часу для створення необхідних квантових станів фотонів використовувались складні хвильоводи, лінзи, дзеркала й світлодільники, які займали значний простір і складалися з крихких компонентів. Масштабування таких систем ускладнювалося їхньою складністю та вразливістю.
Група дослідників під керівництвом професора Федеріко Капассо та старшого наукового співробітника Вінтона Хейса з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона А. Полсона створила спеціалізовані метаповерхні. Ці структури керують світлом за допомогою нанорозмірних отворів, що дозволяє ефективно маніпулювати квантовими станами фотонів на надтонкій площині, без потреби у великій кількості класичних оптичних компонентів. В експериментах було доведено, що метаповерхні здатні генерувати заплутані стани фотонів і виконувати складні квантові операції, демонструючи ті ж функції, що й традиційні масивні системи.
«Ми отримуємо серйозну технологічну перевагу у вирішенні проблеми масштабованості. Тепер ми можемо зменшити всю оптичну установку в єдину метаповерхню, яка відрізняється високою стабільністю та надійністю», — пояснює перший автор дослідження Керолос Юсеф.
Потенціал для революції у квантових технологіях
Запропонована технологія відкриває шлях до створення нових типів квантових пристроїв, які не потребують складних налаштувань, характеризуються стійкістю до збурень, простотою у виготовленні та низькими оптичними втратами. Метаповерхня виконує функції, які раніше вимагали великої кількості світлодільників та хвильоводів, і дозволяє скоротити розміри квантових пристроїв до масштабу чипа.
Розробка такої метаповерхні вимагала вирішення складних математичних задач, особливо при збільшенні кількості фотонів і кубітів. Для впорядкування процесів дослідники скористалися теорією графів — математичним підходом, що дозволяє візуалізувати зв’язки між фотонами, передбачати їхню взаємодію та вплив у експериментах. Важливу роль у проєкті відіграла співпраця з лабораторією Марко Лончара, фахівці якої мають значний досвід у квантовій оптиці та фотоніці.
«Я натхненний цим підходом, оскільки він дозволяє ефективно масштабувати оптичні квантові комп’ютери та мережі, що тривалий час було найбільшою проблемою порівняно з іншими платформами, такими як надпровідники чи атоми. У певному сенсі, при цьому підході проєктування метаповерхонь та оптичний квантовий стан стають двома сторонами однієї медалі», — дослідник Ніл Сінклер.
Результати цієї роботи опубліковані у журналі Science та можуть стати вирішальним кроком на шляху до компактних і доступних квантових комп’ютерів нового покоління.