Инженеры Гарвардского университета совершили прорыв в квантовых технологиях, создав надтонкую метаповерхность, способную заменить традиционные массивные оптические установки для квантовых вычислений. Эта разработка позволяет вместить функционал в компактный чип, что существенно упрощает и удешевляет квантовые системы.
Об этом сообщает ProIT
Метаповерхность: альтернатива громоздким квантовым системам
Фотоны, составляющие основу света, становятся все более перспективными для быстрого передачи информации в квантовых вычислениях. До этого времени для создания необходимых квантовых состояний фотонов использовались сложные волноводы, линзы, зеркала и светодиоды, которые занимали значительное пространство и состояли из хрупких компонентов. Масштабирование таких систем усложнялось их сложностью и уязвимостью.
Группа исследователей под руководством профессора Федерико Капассо и старшего научного сотрудника Уинтона Хейса из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона создала специализированные метаповерхности. Эти структуры управляют светом с помощью нанометровых отверстий, что позволяет эффективно манипулировать квантовыми состояниями фотонов на надтонкой плоскости, без необходимости в большом количестве классических оптических компонентов. В экспериментах было доказано, что метаповерхности способны генерировать запутанные состояния фотонов и выполнять сложные квантовые операции, демонстрируя те же функции, что и традиционные массивные системы.
«Мы получаем серьезное технологическое преимущество в решении проблемы масштабируемости. Теперь мы можем уменьшить всю оптическую установку в единую метаповерхность, которая отличается высокой стабильностью и надежностью», — объясняет первый автор исследования Керолос Юсеф.
Потенциал для революции в квантовых технологиях
Предложенная технология открывает путь к созданию новых типов квантовых устройств, которые не требуют сложных настроек, характеризуются устойчивостью к возмущениям, простотой в изготовлении и низкими оптическими потерями. Метаповерхность выполняет функции, которые ранее требовали большого количества светодиодов и волноводов, и позволяет сократить размеры квантовых устройств до масштаба чипа.
Разработка такой метаповерхности потребовала решения сложных математических задач, особенно при увеличении количества фотонов и кубитов. Для упорядочивания процессов исследователи воспользовались теорией графов — математическим подходом, который позволяет визуализировать связи между фотонами, предсказывать их взаимодействие и влияние в экспериментах. Важную роль в проекте сыграла сотрудничество с лабораторией Марко Лончара, специалисты которой имеют значительный опыт в квантовой оптике и фотонике.
«Я вдохновлен этим подходом, поскольку он позволяет эффективно масштабировать оптические квантовые компьютеры и сети, что долгое время было самой большой проблемой по сравнению с другими платформами, такими как сверхпроводники или атомы. В определенном смысле, при этом подходе проектирование метаповерхностей и оптическое квантовое состояние становятся двумя сторонами одной медали», — исследователь Нил Синклер.
Результаты этой работы опубликованы в журнале Science и могут стать решающим шагом на пути к компактным и доступным квантовым компьютерам нового поколения.