Gli scienziati di Harvard hanno raggiunto un importante traguardo nel calcolo quantistico sviluppando metasuperfici che potrebbero trasformare il modo in cui le informazioni quantistiche vengono processate e trasmesse.
Il team di ricerca della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences di Harvard, guidato dal Professor Federico Capasso, ha creato metasuperfici appositamente progettate—dispositivi piatti incisi con pattern su scala nanometrica in grado di manipolare la luce—che funzionano come sostituti ultra-sottili dei voluminosi apparati ottici quantistici. I risultati sono stati pubblicati su Science il 24 luglio 2025, in un articolo intitolato "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference".
"Stiamo introducendo un vantaggio tecnologico fondamentale per risolvere il problema della scalabilità," spiega lo studente di dottorato Kerolos M.A. Yousef, primo autore dell'articolo. "Ora possiamo miniaturizzare un intero apparato ottico in una singola metasuperficie molto stabile e robusta."
I sistemi fotonici quantistici convenzionali si basano su complessi reticoli di lenti, specchi e divisori di fascio per manipolare i fotoni e creare gli stati entangled necessari al calcolo quantistico. Questi sistemi diventano sempre più ingombranti man mano che si aggiungono componenti, rendendo difficile la realizzazione pratica di computer quantistici. L'innovazione del team di Harvard comprime tutti questi componenti in una singola matrice piatta di elementi sub-lunghezza d'onda che controllano la luce con una precisione straordinaria.
Un'innovazione chiave è stata l'applicazione della teoria dei grafi—un ramo della matematica che utilizza punti e linee per rappresentare connessioni—per progettare metasuperfici capaci di controllare proprietà come luminosità, fase e polarizzazione dei fotoni. Questo approccio ha permesso loro di mappare visivamente come i fotoni interferiscono tra loro e di prevedere i risultati sperimentali, rendendo più intuitiva la progettazione di stati quantistici complessi.
"Con l'approccio a grafi, la progettazione della metasuperficie e lo stato quantistico ottico diventano due facce della stessa medaglia," osserva Neal Sinclair, ricercatore che ha collaborato al progetto.
Le metasuperfici risultanti offrono numerosi vantaggi rispetto agli apparati convenzionali: non richiedono allineamenti intricati, sono robuste contro le perturbazioni ambientali, possono essere fabbricate con tecniche standard dell'industria dei semiconduttori e minimizzano la perdita ottica—un fattore cruciale per mantenere l'integrità dell'informazione quantistica.
Oltre al calcolo quantistico, questa tecnologia potrebbe far progredire il sensing quantistico e abilitare funzionalità "lab-on-a-chip" per la ricerca scientifica fondamentale. Il lavoro rappresenta un passo significativo verso computer e reti quantistiche pratiche a temperatura ambiente, da tempo difficili da realizzare rispetto ad altre piattaforme quantistiche.
La ricerca è stata finanziata dall'Air Force Office of Scientific Research e condotta presso il Center for Nanoscale Systems di Harvard, con la collaborazione fondamentale del team di ottica quantistica e fotonica integrata del Professor Marko Lončar.