Vědci z Harvardu dosáhli významného průlomu v oblasti kvantových počítačů díky vývoji metasurfaces, které mohou zásadně změnit způsob zpracování a přenosu kvantových informací.
Výzkumný tým z Harvardovy školy inženýrství a aplikovaných věd Johna A. Paulsona, vedený profesorem Federicem Capassem, vytvořil speciálně navržené metasurfaces – plochá zařízení s nanoměřítkovými vzory pro manipulaci se světlem – které fungují jako ultra-tenké náhrady objemných kvantových optických sestav. Jejich výsledky byly publikovány v časopise Science dne 24. července 2025 v článku s názvem „Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference“.
„Přinášíme zásadní technologickou výhodu při řešení problému škálovatelnosti,“ vysvětluje doktorand Kerolos M.A. Yousef, hlavní autor článku. „Nyní můžeme miniaturizovat celou optickou sestavu do jediné metasurface, která je velmi stabilní a robustní.“
Tradiční kvantové fotonické systémy spoléhají na složité sítě čoček, zrcadel a děličů paprsků pro manipulaci s fotony a vytváření provázaných stavů nezbytných pro kvantové výpočty. Tyto systémy se s přidáváním dalších komponent stávají stále složitějšími, což ztěžuje stavbu praktických kvantových počítačů. Inovace harvardského týmu všechny tyto komponenty zhušťuje do jediné ploché matice subvlnových prvků, které řídí světlo s mimořádnou přesností.
Klíčovou inovací bylo využití teorie grafů – matematického oboru, který používá body a hrany k reprezentaci spojení – k návrhu metasurfaces schopných ovládat vlastnosti fotonů, jako je jas, fáze a polarizace. Tento přístup jim umožnil vizuálně mapovat, jak fotony vzájemně interferují, a předpovídat experimentální výsledky, což činí návrh složitých kvantových stavů intuitivnějším.
„S přístupem grafů se návrh metasurface a optický kvantový stav stávají dvěma stranami téže mince,“ poznamenává vědecký pracovník Neal Sinclair, který na projektu spolupracoval.
Výsledné metasurfaces nabízejí řadu výhod oproti tradičním sestavám: nevyžadují složité zarovnání, jsou odolné vůči vnějším vlivům, lze je vyrábět běžnými polovodičovými technologiemi a minimalizují optické ztráty – což je klíčové pro zachování integrity kvantových informací.
Kromě kvantových výpočtů může tato technologie pokročit i v oblasti kvantového snímání a umožnit „laboratoř na čipu“ pro základní vědecký výzkum. Práce představuje významný krok směrem k praktickým kvantovým počítačům a sítím fungujícím při pokojové teplotě, jejichž realizace byla dosud oproti jiným kvantovým platformám velmi náročná.
Výzkum byl financován Úřadem pro vědecký výzkum letectva USA a probíhal v Harvardově Centru pro nanosystémy, s klíčovou spoluprací týmu profesora Marka Lončara zaměřeného na kvantovou optiku a integrovanou fotoniku.