Harvard-forskere har opnået et markant gennembrud inden for kvantecomputing ved at udvikle metasurfaces, der kan forvandle måden, hvorpå kvanteinformation behandles og transmitteres.
Forskerholdet ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, ledet af professor Federico Capasso, har skabt specialdesignede metasurfaces—flade enheder ætset med nanoskala-lysstyrende mønstre—der fungerer som ultratynde erstatninger for omfangsrige optiske kvanteopstillinger. Deres resultater blev offentliggjort i Science den 24. juli 2025 i artiklen "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference."
"Vi introducerer en væsentlig teknologisk fordel, når det gælder løsningen af skalerbarhedsproblemet," forklarer ph.d.-studerende Kerolos M.A. Yousef, artiklens førsteforfatter. "Nu kan vi miniaturisere en hel optisk opstilling til én enkelt metasurface, der er meget stabil og robust."
Konventionelle kvantefotoniske systemer er afhængige af komplekse netværk af linser, spejle og strålesplittere for at manipulere fotoner og skabe de sammenfiltrede tilstande, der er nødvendige for kvantecomputing. Disse systemer bliver mere og mere uhåndterlige, jo flere komponenter der tilføjes, hvilket gør det vanskeligt at bygge praktiske kvantecomputere. Harvards innovation samler alle disse komponenter i et enkelt, fladt array af subbølgelængde-elementer, der styrer lyset med bemærkelsesværdig præcision.
En central nyskabelse var teamets anvendelse af grafteori—en gren af matematikken, der bruger punkter og linjer til at repræsentere forbindelser—til at designe metasurfaces, der kan kontrollere egenskaber som lysstyrke, fase og polarisering af fotoner. Denne tilgang gjorde det muligt for dem visuelt at kortlægge, hvordan fotoner interfererer med hinanden og forudsige eksperimentelle resultater, hvilket gjorde designet af komplekse kvantetilstande mere intuitivt.
"Med graf-tilgangen bliver metasurface-designet og den optiske kvantetilstand to sider af samme sag," bemærker forsker Neal Sinclair, der har samarbejdet om projektet.
De resulterende metasurfaces tilbyder adskillige fordele i forhold til konventionelle opstillinger: de kræver ikke indviklede justeringer, er robuste over for miljømæssige forstyrrelser, kan fremstilles med standard halvlederteknikker og minimerer optiske tab—en afgørende faktor for at bevare integriteten af kvanteinformation.
Ud over kvantecomputing kan denne teknologi fremme kvantesensorik og muliggøre "lab-on-a-chip"-funktioner til grundforskning. Arbejdet repræsenterer et væsentligt skridt mod praktiske kvantecomputere og -netværk ved stuetemperatur, som længe har været vanskelige at realisere sammenlignet med andre kvanteplatforme.
Forskningen blev finansieret af Air Force Office of Scientific Research og udført ved Harvards Center for Nanoscale Systems i tæt samarbejde med professor Marko Lončars team for kvanteoptik og integreret fotonik.