Harvardin tutkijat ovat saavuttaneet merkittävän läpimurron kvanttilaskennassa kehittämällä metasurfaceja, jotka voivat mullistaa tavan, jolla kvanttitietoa käsitellään ja siirretään.
Harvardin John A. Paulsonin tekniikan ja soveltavien tieteiden koulun tutkimusryhmä, professori Federico Capasson johdolla, on luonut erityisesti suunniteltuja metasurfaceja—litteitä laitteita, joihin on kaiverrettu valoa ohjaavia nanokuvioita—jotka toimivat ultrahohutena vaihtoehtona kookkaille kvanttioptiikan laitteistoille. Tutkimustulokset julkaistiin Science-lehdessä 24. heinäkuuta 2025 artikkelissa "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference".
"Tuomme merkittävän teknologisen edun skaalautuvuusongelman ratkaisemiseen", selittää jatko-opiskelija Kerolos M.A. Yousef, artikkelin ensimmäinen kirjoittaja. "Nyt voimme pienentää koko optisen järjestelmän yhteen erittäin vakaan ja kestävän metasurfaceen."
Perinteiset kvanttifotoniikan järjestelmät perustuvat monimutkaisiin linssien, peilien ja säteilyjakajien verkostoihin fotonien ohjaamiseksi ja kvanttilaskennan vaatiman kietoutumisen luomiseksi. Näistä järjestelmistä tulee yhä hankalampia, kun komponenttien määrä kasvaa, mikä vaikeuttaa käytännöllisten kvanttitietokoneiden rakentamista. Harvardin tiimin innovaatio tiivistää kaikki nämä komponentit yhdeksi litteäksi, aallonpituutta pienempien rakenteiden matriisiksi, joka ohjaa valoa poikkeuksellisen tarkasti.
Keskeinen innovaatio oli graafiteorian—matematiikan osa-alue, jossa yhteyksiä kuvataan pisteiden ja viivojen avulla—soveltaminen metasurfacejen suunnitteluun. Näin he pystyivät hallitsemaan fotonien ominaisuuksia, kuten kirkkautta, vaihetta ja polarisaatiota. Tämä lähestymistapa mahdollisti fotonien interferenssin visuaalisen hahmottamisen ja kokeellisten tulosten ennustamisen, tehden monimutkaisten kvanttitilojen suunnittelusta intuitiivisempaa.
"Graafipohjaisessa lähestymistavassa metasurfacen suunnittelu ja optinen kvanttitila ovat saman kolikon kaksi puolta", toteaa tutkimukseen osallistunut tutkija Neal Sinclair.
Tuloksena syntyneet metasurfacet tarjoavat monia etuja perinteisiin järjestelmiin verrattuna: ne eivät vaadi tarkkaa kohdistusta, kestävät ympäristön häiriöitä, voidaan valmistaa tavanomaisilla puolijohdetekniikoilla ja minimoivat optiset häviöt—mikä on ratkaisevan tärkeää kvanttitiedon säilymiselle.
Kvanttilaskennan lisäksi teknologia voi edistää kvanttitunnistusta ja mahdollistaa "lab-on-a-chip"-ratkaisuja perustutkimukseen. Työ on merkittävä askel kohti käytännöllisiä huoneenlämpöisiä kvanttitietokoneita ja -verkkoja, joiden toteutus on ollut haastavaa verrattuna muihin kvanttialustoihin.
Tutkimusta rahoitti Yhdysvaltain ilmavoimien tutkimusvirasto, ja se toteutettiin Harvardin Center for Nanoscale Systems -keskuksessa tiiviissä yhteistyössä professori Marko Lončarin kvanttioptiikan ja integroidun fotoniikan ryhmän kanssa.