ハーバード大学の科学者たちは、量子情報の処理と伝送の方法を一変させる可能性を持つメタサーフェスの開発に成功し、量子コンピューティング分野で大きなブレークスルーを達成しました。
ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学部のフェデリコ・カパッソ教授率いる研究チームは、ナノスケールの光操作パターンが刻まれた平坦なデバイス「メタサーフェス」を設計。これにより、従来のかさばる量子光学装置を、超薄型の単一層で代替することに成功しました。この成果は2025年7月24日付の『Science』誌に「Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference」という論文として掲載されました。
「私たちはスケーラビリティ問題の解決において、重要な技術的優位性をもたらしています」と、論文の第一著者である大学院生ケロロス・M.A.・ユセフ氏は説明します。「これで、従来の光学セットアップ全体を、非常に安定かつ堅牢な単一のメタサーフェスに小型化できるようになりました。」
従来の量子フォトニクスシステムでは、光子を操作し、量子コンピューティングに不可欠なエンタングルド状態を生成するために、レンズやミラー、ビームスプリッターなど複雑なネットワークが必要でした。これらの部品が増えるほどシステムは大規模化し、実用的な量子コンピューターの構築が困難になっていました。ハーバード大学チームのイノベーションは、これらすべての部品を、光を高精度で制御するサブ波長要素の平坦なアレイ一枚に集約しました。
今回の鍵となる技術革新は、グラフ理論（点と線で接続を表現する数学の一分野）を応用し、光子の明るさ、位相、偏光などの特性を制御できるメタサーフェス設計を実現したことです。この手法により、光子同士の干渉の様子を視覚的にマッピングし、実験結果を予測できるため、複雑な量子状態の設計が直感的に行えるようになりました。
「グラフ理論的アプローチにより、メタサーフェス設計と光学的量子状態は表裏一体となります」と、共同研究者のニール・シンクレア研究員は述べています。
このメタサーフェスは、従来のセットアップに比べて多くの利点があります。複雑なアライメントが不要で、環境変動にも強く、標準的な半導体製造技術で作製可能、さらに量子情報の保持に不可欠な光損失も最小限に抑えられます。
量子コンピューティングだけでなく、この技術は量子センシングや、基礎科学研究のための「ラボ・オン・チップ」実現にも貢献する可能性があります。本研究は、他の量子プラットフォームに比べて実現が難しかった実用的な室温動作の量子コンピューターやネットワークへの大きな一歩となります。
本研究は米空軍科学研究局の助成を受け、ハーバード大学ナノスケールシステムセンターで実施され、マルコ・ロンチャー教授率いる量子光学・集積フォトニクスチームとの重要な共同研究によって進められました。