В гонке за практическими квантовыми компьютерами и сетями фотоны — фундаментальные частицы света — открывают интригующие возможности как быстрые носители информации при комнатной температуре.
В стремлении к созданию практических квантовых компьютеров и сетей фотоны — фундаментальные частицы света — открывают захватывающие перспективы в качестве быстрых носителей информации при комнатной температуре. Обычно их заставляют переходить в квантовые состояния с помощью волноводов на расширенных микрочипах или через громоздкие устройства, собранные из линз, зеркал и светоделителей.
Фотоны запутываются, что позволяет им кодировать и обрабатывать квантовую информацию параллельно, через сложные сети оптических компонентов. Но такие системы сложно масштабировать из-за большого количества и несовершенства деталей, необходимых для выполнения значимых вычислений или создания сетей.
Можно ли объединить все эти оптические компоненты в единый плоский ультратонкий массив субволновых элементов, которые управляют светом точно так же, но с гораздо меньшим количеством изготовленных деталей?
Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) сделали именно это. Исследовательская группа под руководством Федерико Капассо, профессора прикладной физики имени Роберта Л. Уоллеса и старшего научного сотрудника Винтона Хейса в области электротехники, создала специально разработанные метаповерхности — плоские устройства с гравировкой с наноразмерными узорами для манипулирования светом — в качестве ультратонких обновлений для квантово-оптических чипов и установок.
Исследование было 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 более крупных оптических устройств со множеством различных компонентов.
«Мы представляем серьёзное технологическое преимущество, когда дело доходит до решения проблемы масштабируемости», — сказал аспирант и первый автор Керолос М.А. Юсеф. «Теперь мы можем миниатюризировать всю оптическую установку в единую метаповерхность, которая очень стабильна и надёжна».
Их результаты намекают на возможность создания оптических квантовых устройств, меняющих парадигму, основанных не на традиционных, трудно масштабируемых компонентах, таких как волноводы и светоделители, или даже на расширенных оптических микрочипах, а на устойчивых к ошибкам метаповерхностях, которые предлагают множество преимуществ: конструкции, не требующие сложного выравнивания, устойчивость к возмущениям, экономичность, простота изготовления и низкие оптические потери.
В широком смысле работа воплощает квантовую оптику на основе метаповерхностей, которая, помимо проторения пути к квантовым компьютерам и сетям при комнатной температуре, может также принести пользу квантовым датчикам или предложить возможности «лаборатория на чипе» для фундаментальной науки.
Проектирование единой метаповерхности, которая может точно управлять такими свойствами, как яркость, фаза и поляризация, представляет уникальные задачи из-за математической сложности, возникающей, когда количество фотонов и, следовательно, количество кубитов начинает увеличиваться. Каждый дополнительный фотон вводит множество новых путей интерференции, что в обычной установке потребовало бы быстро растущего количества светоделителей и выходных портов.
Чтобы упорядочить сложность, исследователи использовали раздел математики, называемый теорией графов, которая использует точки и линии для представления связей и отношений. Представляя запутанные состояния фотонов в виде множества соединённых линий и точек, они смогли визуально определить, как фотоны интерферируют друг с другом, и предсказать их эффекты в экспериментах.
Теория графов также используется в некоторых типах квантовых вычислений и коррекции квантовых ошибок, но обычно не рассматривается в контексте метаповерхностей, включая их проектирование и работу.
Результатом стала совместная работа с лабораторией Марко Лонкара, чья команда специализируется на квантовой оптике и интегрированной фотонике и предоставила необходимую экспертизу и оборудование.
«Я в восторге от этого подхода, потому что он может эффективно масштабировать оптические квантовые компьютеры и сети, что долгое время было их самой большой проблемой по сравнению с другими платформами, такими как сверхпроводники или атомы», — сказал научный сотрудник Нил Синклер. «Он также предлагает новое понимание проектирования и применения метаповерхностей, особенно для генерации и управления квантовым светом. С помощью графического подхода, в некотором смысле, проектирование метаповерхности и оптическое квантовое состояние становятся двумя сторонами одной медали».
Предоставлено Гарвардской школой инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона.