Учени от Харвард постигнаха значителен пробив в квантовите изчисления, като разработиха метаповърхности, които могат да преобразят начина, по който се обработва и предава квантова информация.
Изследователският екип от Инженерното училище „Джон А. Полсън“ към Харвард, ръководен от професор Федерико Капасо, създаде специално проектирани метаповърхности — плоски устройства, гравирани с наномащабни шарки за манипулиране на светлина, които служат като ултратънки заместители на обемистите квантови оптични системи. Техните открития са публикувани в Science на 24 юли 2025 г. в статия, озаглавена „Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference“.
„Въвеждаме голямо технологично предимство по отношение на решаването на проблема със скалируемостта“, обяснява докторантът Керолос М.А. Юсеф, първи автор на публикацията. „Сега можем да миниатюризираме цяла оптична система в една метаповърхност, която е много стабилна и устойчива.“
Традиционните квантови фотонни системи разчитат на сложни мрежи от лещи, огледала и делители на лъчи, за да манипулират фотони и да създават заплетени състояния, необходими за квантовите изчисления. Тези системи стават все по-непрактични с добавянето на повече компоненти, което прави изграждането на реални квантови компютри трудно. Иновацията на екипа от Харвард събира всички тези компоненти в една плоска решетка от субвълнови елементи, които контролират светлината с изключителна прецизност.
Ключова иновация е използването на графова теория — дял от математиката, който използва точки и линии за представяне на връзки — за проектиране на метаповърхности, способни да контролират свойства като яркост, фаза и поляризация на фотоните. Този подход им позволява визуално да картографират как фотоните си взаимодействат и да предсказват експерименталните резултати, което прави проектирането на сложни квантови състояния по-интуитивно.
„С графовия подход проектирането на метаповърхността и оптичното квантово състояние са двете страни на една и съща монета“, отбелязва научният сътрудник Нийл Синклер, съавтор на проекта.
Получените метаповърхности предлагат множество предимства пред конвенционалните системи: не изискват сложни настройки, устойчиви са на външни смущения, могат да се произвеждат със стандартни полупроводникови технологии и минимизират оптичните загуби — критичен фактор за запазване на целостта на квантовата информация.
Освен квантовите изчисления, тази технология може да ускори развитието на квантовите сензори и да позволи „лаборатория на чип“ за фундаментални научни изследвания. Работата представлява значителна стъпка към практични квантови компютри и мрежи, работещи при стайна температура — предизвикателство, което дълго време затруднява реализацията им спрямо други квантови платформи.
Изследването е финансирано от Air Force Office of Scientific Research и е проведено в Центъра за наномащабни системи към Харвард, с ключово сътрудничество с екипа по квантова оптика и интегрирана фотоника на професор Марко Лончар.