В гонке за практическими квантовыми компьютерами и сетями фотоны — фундаментальные частицы света — открывают интригующие возможности как быстрые носители информации при комнатной температуре.
💡 Фотоны обычно управляются и приводятся в квантовые состояния с помощью волноводов на расширенных микрочипах или через громоздкие устройства, построенные из линз, зеркал и светоделителей. Фотоны становятся запутанными, 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 все эти оптические компоненты объединить в единый плоский ультратонкий массив субволновых элементов, которые управляют светом точно так же, но с гораздо меньшим количеством изготовленных деталей?
Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) сделали именно это. Исследовательская группа под руководством Федерико Капассо, профессора прикладной физики 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 — для работы 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 вводим серьёзное технологическое преимущество, когда речь заходит о решении проблемы масштабируемости», — сказал аспирант и первый автор Керолос М.А. Юсеф. «Теперь мы можем миниатюризировать всю оптическую установку в одной метаповерхности, которая очень стабильна и надёжна».
Их результаты намекают на возможность создания оптических квантовых устройств, которые могут изменить правила игры, 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 прокладывания пути к квантовым компьютерам и сетям при комнатной температуре, может также принести пользу квантовому зондированию или предложить возможности «лаборатория на чипе» для фундаментальной науки.
Разработка единой метаповерхности, которая может точно управлять такими свойствами, как яркость, фаза и поляризация, представляет уникальные проблемы из-за математической сложности, которая возникает, когда количество фотонов и, следовательно, количество кубитов начинает увеличиваться.
Для того чтобы упорядочить сложность, исследователи опирались на 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 её не рассматривают в контексте метаповерхностей, включая их проектирование и работу.
Получившаяся статья стала результатом сотрудничества 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, дизайн метаповерхности и оптическое квантовое состояние становятся двумя сторонами одной медали».
Предоставлено Гарвардской школой инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.