Οι επιστήμονες του Harvard πέτυχαν μια σημαντική πρόοδο στην κβαντική υπολογιστική, αναπτύσσοντας μεταεπιφάνειες που θα μπορούσαν να μεταμορφώσουν τον τρόπο με τον οποίο επεξεργαζόμαστε και μεταδίδουμε κβαντικές πληροφορίες.
Η ερευνητική ομάδα της Σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών John A. Paulson του Harvard, με επικεφαλής τον καθηγητή Federico Capasso, δημιούργησε ειδικά σχεδιασμένες μεταεπιφάνειες — επίπεδες διατάξεις χαραγμένες με νανοδομημένα μοτίβα που χειρίζονται το φως — οι οποίες λειτουργούν ως υπερλεπτές αντικαταστάσεις των ογκωδών οπτικών διατάξεων της κβαντικής οπτικής. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στο Science στις 24 Ιουλίου 2025, σε άρθρο με τίτλο «Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference».
«Εισάγουμε ένα σημαντικό τεχνολογικό πλεονέκτημα όσον αφορά την επίλυση του προβλήματος της κλιμάκωσης», εξηγεί ο μεταπτυχιακός φοιτητής Kerolos M.A. Yousef, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης. «Τώρα μπορούμε να σμικρύνουμε ολόκληρη την οπτική διάταξη σε μία μόνο μεταεπιφάνεια που είναι εξαιρετικά σταθερή και ανθεκτική».
Τα συμβατικά κβαντικά φωτονικά συστήματα βασίζονται σε πολύπλοκα δίκτυα φακών, καθρεπτών και διαχωριστών δέσμης για να χειριστούν φωτόνια και να δημιουργήσουν τις διεμπλεκόμενες καταστάσεις που απαιτούνται για την κβαντική υπολογιστική. Αυτά τα συστήματα γίνονται ολοένα και πιο δύσχρηστα όσο προστίθενται περισσότερα εξαρτήματα, καθιστώντας την κατασκευή πρακτικών κβαντικών υπολογιστών ιδιαίτερα δύσκολη. Η καινοτομία της ομάδας του Harvard συμπυκνώνει όλα αυτά τα εξαρτήματα σε μία επίπεδη διάταξη υποκυματικών στοιχείων που ελέγχουν το φως με αξιοσημείωτη ακρίβεια.
Κομβικό στοιχείο της καινοτομίας ήταν η εφαρμογή της θεωρίας γράφων — ενός κλάδου των μαθηματικών που χρησιμοποιεί σημεία και γραμμές για να αναπαραστήσει συνδέσεις — για το σχεδιασμό μεταεπιφανειών ικανών να ελέγχουν ιδιότητες όπως η φωτεινότητα, η φάση και η πόλωση των φωτονίων. Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να χαρτογραφήσουν οπτικά τον τρόπο που τα φωτόνια συμβάλλουν μεταξύ τους και να προβλέψουν τα πειραματικά αποτελέσματα, καθιστώντας τον σχεδιασμό σύνθετων κβαντικών καταστάσεων πιο διαισθητικό.
«Με την προσέγγιση των γράφων, ο σχεδιασμός της μεταεπιφάνειας και η οπτική κβαντική κατάσταση γίνονται οι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος», σημειώνει ο ερευνητής Neal Sinclair, που συνέβαλε στο έργο.
Οι μεταεπιφάνειες που προέκυψαν προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών διατάξεων: δεν απαιτούν πολύπλοκες ευθυγραμμίσεις, είναι ανθεκτικές σε περιβαλλοντικές διαταραχές, μπορούν να κατασκευαστούν με τυπικές τεχνικές ημιαγωγών και ελαχιστοποιούν τις οπτικές απώλειες — κρίσιμος παράγοντας για τη διατήρηση της ακεραιότητας των κβαντικών πληροφοριών.
Πέρα από την κβαντική υπολογιστική, αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να προωθήσει την κβαντική ανίχνευση και να επιτρέψει «εργαστήριο σε τσιπ» για βασική επιστημονική έρευνα. Το έργο αυτό αποτελεί σημαντικό βήμα προς την υλοποίηση πρακτικών κβαντικών υπολογιστών και δικτύων σε θερμοκρασία δωματίου, τα οποία παραμένουν δύσκολα στην υλοποίηση σε σύγκριση με άλλες κβαντικές πλατφόρμες.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Air Force Office of Scientific Research και πραγματοποιήθηκε στο Κέντρο Νανοκλίμακας Συστημάτων του Harvard, με καθοριστική συνεργασία από την ομάδα κβαντικής οπτικής και ολοκληρωμένης φωτονικής του καθηγητή Marko Lončar.