حقق علماء هارفارد إنجازاً كبيراً في مجال الحوسبة الكمومية من خلال تطوير أسطح ميتا قد تغيّر طريقة معالجة ونقل المعلومات الكمومية.
فريق البحث في كلية جون بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد، بقيادة البروفيسور فيديريكو كاباسو، صمّم أسطح ميتا خاصة—وهي أجهزة مسطحة منقوشة بأنماط نانوية تتحكم في الضوء—لتكون بدائل فائقة النحافة للأنظمة البصرية الكمومية الضخمة والمعقدة. وقد نُشرت نتائجهم في مجلة Science بتاريخ 24 يوليو 2025، في ورقة بعنوان "رسوم كمومية لأسطح الميتا لتداخل هونغ-أو-ماندل المعمم".
يقول طالب الدراسات العليا كيرولوس م. أ. يوسف، المؤلف الأول للورقة: "نحن نقدم ميزة تكنولوجية كبيرة في حل مشكلة التوسع. الآن يمكننا تصغير نظام بصري كامل في سطح ميتا واحد يتمتع باستقرار وقوة كبيرين".
تعتمد الأنظمة الفوتونية الكمومية التقليدية على شبكات معقدة من العدسات والمرايا ومقسمات الحزمة للتحكم في الفوتونات وخلق الحالات المتشابكة اللازمة للحوسبة الكمومية. ومع زيادة عدد المكونات، تصبح هذه الأنظمة ضخمة وصعبة التنفيذ، مما يصعّب بناء حواسيب كمومية عملية. ابتكار فريق هارفارد يدمج كل هذه المكونات في مصفوفة مسطحة واحدة من عناصر دون الطول الموجي تتحكم في الضوء بدقة فائقة.
وكانت إحدى الابتكارات الرئيسية تطبيق الفريق لنظرية الرسوم البيانية—وهي فرع من الرياضيات يستخدم النقاط والخطوط لتمثيل العلاقات—لتصميم أسطح ميتا قادرة على التحكم في خصائص مثل السطوع والطور واستقطاب الفوتونات. سمح لهم هذا النهج برسم خريطة بصرية لتداخل الفوتونات وتوقع نتائج التجارب، مما جعل تصميم الحالات الكمومية المعقدة أكثر سهولة ووضوحاً.
يعلق الباحث نيل سينكلير، الذي شارك في المشروع: "مع نهج الرسوم البيانية، يصبح تصميم سطح الميتا والحالة الكمومية الضوئية وجهين لعملة واحدة".
توفر أسطح الميتا الناتجة العديد من المزايا على الأنظمة التقليدية: فهي لا تتطلب محاذاة معقدة، وتتمتع بمتانة ضد الاضطرابات البيئية، ويمكن تصنيعها باستخدام تقنيات أشباه الموصلات القياسية، وتقلل من فقدان الضوء—وهو عامل حاسم للحفاظ على سلامة المعلومات الكمومية.
وبالإضافة إلى الحوسبة الكمومية، يمكن أن تدفع هذه التقنية مجالات الاستشعار الكمومي وتمكّن من تطوير "مختبر على شريحة" لأبحاث العلوم الأساسية. ويمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو حواسيب وشبكات كمومية عملية تعمل في درجة حرارة الغرفة، وهو تحدٍ طالما واجهته المنصات الكمومية الأخرى.
تم تمويل البحث من قبل مكتب أبحاث القوات الجوية الأمريكية، ونُفذ في مركز الأنظمة النانوية بجامعة هارفارد، بالتعاون مع فريق البروفيسور ماركو لونتشار في البصريات الكمومية والفوتونيات المتكاملة.