Wetenschappers van Harvard hebben een belangrijke doorbraak bereikt in quantumcomputing door metasurfaces te ontwikkelen die de verwerking en transmissie van quantuminformatie kunnen transformeren.
Het onderzoeksteam van de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences van Harvard, onder leiding van professor Federico Capasso, heeft speciaal ontworpen metasurfaces gecreëerd—vlakke apparaten voorzien van nanoschaal licht-manipulerende patronen—die dienen als ultradunne vervangers voor omvangrijke quantumoptische opstellingen. Hun bevindingen zijn op 24 juli 2025 gepubliceerd in Science, in een artikel getiteld "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference".
"We introduceren een groot technologisch voordeel als het gaat om het oplossen van het schaalbaarheidsprobleem," legt promovendus Kerolos M.A. Yousef uit, de eerste auteur van het artikel. "Nu kunnen we een complete optische opstelling miniaturiseren tot een enkele metasurface die zeer stabiel en robuust is."
Conventionele quantumfotonische systemen vertrouwen op complexe netwerken van lenzen, spiegels en bundelsplitters om fotonen te manipuleren en de verstrengelde toestanden te creëren die nodig zijn voor quantumcomputing. Naarmate er meer componenten worden toegevoegd, worden deze systemen steeds omvangrijker, wat het bouwen van praktische quantumcomputers bemoeilijkt. De innovatie van het Harvard-team brengt al deze componenten samen in één vlakke array van subgolflengte-elementen die licht met opmerkelijke precisie kunnen sturen.
Een belangrijke innovatie was de toepassing van grafentheorie—een tak van de wiskunde die punten en lijnen gebruikt om verbindingen weer te geven—om metasurfaces te ontwerpen die eigenschappen als helderheid, fase en polarisatie van fotonen kunnen controleren. Deze aanpak stelde het team in staat om visueel in kaart te brengen hoe fotonen met elkaar interfereren en om experimentele uitkomsten te voorspellen, waardoor het ontwerpen van complexe quantumtoestanden intuïtiever werd.
"Met de grafenbenadering worden metasurface-ontwerp en de optische quantumtoestand twee kanten van dezelfde medaille," merkt onderzoeker Neal Sinclair op, die aan het project meewerkte.
De resulterende metasurfaces bieden tal van voordelen ten opzichte van conventionele opstellingen: ze vereisen geen ingewikkelde uitlijning, zijn robuust tegen omgevingsinvloeden, kunnen worden vervaardigd met standaard halfgeleidertechnieken en minimaliseren optisch verlies—een cruciale factor voor het behoud van de integriteit van quantuminformatie.
Naast quantumcomputing kan deze technologie quantum sensing bevorderen en "lab-on-a-chip"-mogelijkheden bieden voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. Het werk vormt een belangrijke stap richting praktische quantumcomputers en -netwerken bij kamertemperatuur, die tot nu toe moeilijk te realiseren waren in vergelijking met andere quantumplatforms.
Het onderzoek werd gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research en uitgevoerd bij het Center for Nanoscale Systems van Harvard, met essentiële samenwerking van het quantumoptica- en geïntegreerde fotonica-team van professor Marko Lončar.