Naukowcy z Harvardu osiągnęli znaczący przełom w dziedzinie komputerów kwantowych, opracowując metasurfaces, które mogą zrewolucjonizować sposób przetwarzania i przesyłania informacji kwantowej.
Zespół badawczy z John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences na Harvardzie, kierowany przez profesora Federico Capasso, stworzył specjalnie zaprojektowane metasurfaces — płaskie urządzenia z nanoskali wzorami manipulującymi światłem — które pełnią funkcję ultracienkich zamienników dla masywnych układów optycznych stosowanych w technologiach kwantowych. Wyniki badań zostały opublikowane w Science 24 lipca 2025 roku w artykule zatytułowanym „Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference”.
„Wprowadzamy ogromną przewagę technologiczną w kontekście rozwiązywania problemu skalowalności” — wyjaśnia doktorant Kerolos M.A. Yousef, pierwszy autor publikacji. „Teraz możemy zminiaturyzować cały układ optyczny do pojedynczej metasurface, która jest bardzo stabilna i wytrzymała.”
Tradycyjne systemy fotoniki kwantowej opierają się na złożonych sieciach soczewek, luster i rozdzielaczy wiązki do manipulowania fotonami i tworzenia splątanych stanów niezbędnych do obliczeń kwantowych. Systemy te stają się coraz bardziej nieporęczne wraz z dodawaniem kolejnych komponentów, co utrudnia budowę praktycznych komputerów kwantowych. Innowacja zespołu z Harvardu polega na zintegrowaniu wszystkich tych elementów w pojedynczej, płaskiej matrycy subfalowych struktur, które kontrolują światło z niezwykłą precyzją.
Kluczowym osiągnięciem było zastosowanie przez zespół teorii grafów — dziedziny matematyki wykorzystującej punkty i linie do reprezentowania połączeń — do projektowania metasurfaces zdolnych do kontrolowania właściwości takich jak jasność, faza i polaryzacja fotonów. To podejście pozwoliło im wizualnie odwzorować, jak fotony interferują ze sobą i przewidywać wyniki eksperymentów, czyniąc projektowanie złożonych stanów kwantowych bardziej intuicyjnym.
„Dzięki podejściu grafowemu projekt metasurface i optyczny stan kwantowy stają się dwiema stronami tej samej monety” — zauważa dr Neal Sinclair, współautor badań.
Opracowane metasurfaces oferują liczne przewagi nad tradycyjnymi układami: nie wymagają skomplikowanego ustawiania, są odporne na zakłócenia środowiskowe, można je wytwarzać przy użyciu standardowych technik półprzewodnikowych i minimalizują straty optyczne — kluczowy czynnik dla zachowania integralności informacji kwantowej.
Poza komputerami kwantowymi, technologia ta może przyspieszyć rozwój czujników kwantowych oraz umożliwić stworzenie „laboratorium na chipie” do badań podstawowych. Prace te stanowią istotny krok w kierunku praktycznych komputerów i sieci kwantowych działających w temperaturze pokojowej, które od dawna są trudniejsze do realizacji w porównaniu z innymi platformami kwantowymi.
Badania zostały sfinansowane przez Air Force Office of Scientific Research i przeprowadzone w Harvard Center for Nanoscale Systems, przy kluczowej współpracy zespołu profesora Marko Lončara zajmującego się optyką kwantową i zintegrowaną fotoniką.