Znanstvenici s Harvarda postigli su značajan napredak u kvantnom računalstvu razvojem metasurfacea koji bi mogli transformirati način na koji se kvantne informacije obrađuju i prenose.
Istraživački tim sa Škole inženjerstva i primijenjenih znanosti John A. Paulson na Harvardu, pod vodstvom profesora Federica Capassa, stvorio je posebno dizajnirane metasurface – ravne uređaje urezane nanoskalnim uzorcima za manipulaciju svjetlom – koji služe kao ultra-tanke zamjene za glomazne kvantne optičke sustave. Njihova otkrića objavljena su u časopisu Science 24. srpnja 2025. u radu pod naslovom "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference".
"Predstavljamo veliku tehnološku prednost u rješavanju problema skalabilnosti," objašnjava doktorand Kerolos M.A. Yousef, prvi autor rada. "Sada možemo miniaturizirati cijeli optički sustav u jednu metasurface koja je vrlo stabilna i robusna."
Konvencionalni kvantno-fotonički sustavi oslanjaju se na složene mreže leća, zrcala i dijelitelja snopa za manipulaciju fotonima i stvaranje spregnutih stanja potrebnih za kvantno računalstvo. Ti sustavi postaju sve nezgrapniji kako se dodaju nove komponente, što izgradnju praktičnih kvantnih računala čini izuzetno zahtjevnom. Inovacija harvardskog tima sažima sve te komponente u jednu ravnu matricu podvalnih elemenata koji upravljaju svjetlom s iznimnom preciznošću.
Ključna inovacija bila je primjena teorije grafova – grane matematike koja koristi točke i linije za prikaz veza – za dizajn metasurfacea sposobnih kontrolirati svojstva poput svjetline, faze i polarizacije fotona. Ovaj pristup omogućio im je vizualno mapiranje načina na koji fotoni međusobno interferiraju i predviđanje eksperimentalnih ishoda, čineći dizajn složenih kvantnih stanja intuitivnijim.
"S pristupom grafova, dizajn metasurfacea i optičko kvantno stanje postaju dvije strane iste medalje," ističe znanstvenik Neal Sinclair, koji je surađivao na projektu.
Dobivene metasurface nude brojne prednosti u odnosu na konvencionalne sustave: ne zahtijevaju precizna poravnanja, otporne su na vanjske smetnje, mogu se izrađivati standardnim poluvodičkim tehnikama i minimiziraju optičke gubitke – ključni faktor za očuvanje integriteta kvantnih informacija.
Osim kvantnog računalstva, ova tehnologija mogla bi unaprijediti kvantnu detekciju i omogućiti "laboratorij na čipu" za temeljna znanstvena istraživanja. Ovaj rad predstavlja značajan korak prema praktičnim kvantnim računalima i mrežama na sobnoj temperaturi, koje je do sada bilo teško realizirati u usporedbi s drugim kvantnim platformama.
Istraživanje je financiralo Američko ratno zrakoplovstvo (Air Force Office of Scientific Research), a provedeno je u Harvardovom Centru za nanosustave, uz ključnu suradnju tima za kvantnu optiku i integriranu fotoniku profesora Marka Lončara.