Cientistas de Harvard alcançaram um avanço significativo na computação quântica ao desenvolver metassuperfícies que podem transformar a forma como a informação quântica é processada e transmitida.
A equipe de pesquisa da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson, da Universidade de Harvard, liderada pelo Professor Federico Capasso, criou metassuperfícies especialmente projetadas — dispositivos planos gravados com padrões em nanoescala que manipulam a luz — que funcionam como substitutos ultrafinos para os volumosos sistemas ópticos quânticos tradicionais. Os resultados foram publicados na revista Science em 24 de julho de 2025, no artigo intitulado "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference".
"Estamos introduzindo uma grande vantagem tecnológica para resolver o problema da escalabilidade", explica o estudante de pós-graduação Kerolos M.A. Yousef, primeiro autor do artigo. "Agora podemos miniaturizar todo um sistema óptico em uma única metassuperfície que é muito estável e robusta."
Sistemas fotônicos quânticos convencionais dependem de redes complexas de lentes, espelhos e divisores de feixe para manipular fótons e criar os estados emaranhados necessários para a computação quântica. Esses sistemas tornam-se cada vez mais difíceis de manejar à medida que mais componentes são adicionados, dificultando a construção de computadores quânticos práticos. A inovação da equipe de Harvard condensa todos esses componentes em uma única matriz plana de elementos subcomprimento de onda que controlam a luz com precisão notável.
Uma inovação fundamental foi a aplicação da teoria dos grafos — um ramo da matemática que utiliza pontos e linhas para representar conexões — para projetar metassuperfícies capazes de controlar propriedades como brilho, fase e polarização dos fótons. Essa abordagem permitiu mapear visualmente como os fótons interferem entre si e prever os resultados experimentais, tornando o design de estados quânticos complexos mais intuitivo.
"Com a abordagem dos grafos, o design da metassuperfície e o estado quântico óptico tornam-se duas faces da mesma moeda", observa o pesquisador Neal Sinclair, que colaborou no projeto.
As metassuperfícies resultantes oferecem inúmeras vantagens em relação aos sistemas convencionais: não exigem alinhamentos intrincados, são robustas contra perturbações ambientais, podem ser fabricadas com técnicas padrão da indústria de semicondutores e minimizam perdas ópticas — fator crítico para manter a integridade da informação quântica.
Além da computação quântica, essa tecnologia pode impulsionar a detecção quântica e viabilizar capacidades de "laboratório em um chip" para pesquisas científicas fundamentais. O trabalho representa um passo importante rumo a computadores e redes quânticas práticos, operando em temperatura ambiente, algo que há muito tempo é um desafio em comparação com outras plataformas quânticas.
A pesquisa foi financiada pelo Air Force Office of Scientific Research e realizada no Centro de Sistemas em Nanoescala de Harvard, com colaboração fundamental da equipe de óptica quântica e fotônica integrada do Professor Marko Lončar.