Учёные из Гарварда совершили значительный прорыв в области квантовых вычислений, разработав метаповерхности, способные преобразить способы обработки и передачи квантовой информации.
Команда исследователей из Школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона при Гарвардском университете под руководством профессора Федерико Капассо создала специально спроектированные метаповерхности — плоские устройства с наномасштабными узорами, управляющими светом, которые служат ультратонкой заменой громоздким квантовым оптическим системам. Результаты работы были опубликованы в журнале Science 24 июля 2025 года в статье «Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference».
«Мы предлагаем серьёзное технологическое преимущество в решении проблемы масштабируемости», — объясняет аспирант Керолос М.А. Юсеф, первый автор статьи. — «Теперь мы можем миниатюризировать всю оптическую установку в одну метаповерхность, которая очень стабильна и надёжна».
Традиционные квантовые фотонные системы полагаются на сложные сети линз, зеркал и светоделителей для управления фотонами и создания запутанных состояний, необходимых для квантовых вычислений. По мере увеличения числа компонентов такие системы становятся всё более громоздкими, что затрудняет создание практических квантовых компьютеров. Инновация гарвардской команды объединяет все эти элементы в единую плоскую матрицу субволновых структур, которые управляют светом с поразительной точностью.
Ключевым достижением стало применение теории графов — раздела математики, использующего точки и линии для представления связей — для проектирования метаповерхностей, способных контролировать такие свойства фотонов, как яркость, фаза и поляризация. Такой подход позволил визуально отображать, как фотоны интерферируют друг с другом, и прогнозировать результаты экспериментов, делая проектирование сложных квантовых состояний более интуитивным.
«С графовым подходом проектирование метаповерхности и оптическое квантовое состояние становятся двумя сторонами одной медали», — отмечает научный сотрудник Нил Синклер, принимавший участие в проекте.
Созданные метаповерхности обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными системами: они не требуют сложной юстировки, устойчивы к внешним воздействиям, могут изготавливаться стандартными полупроводниковыми методами и минимизируют оптические потери — критически важный фактор для сохранения целостности квантовой информации.
Помимо квантовых вычислений, эта технология может способствовать развитию квантовых сенсоров и реализации «лаборатории на чипе» для фундаментальных научных исследований. Работа представляет собой важный шаг на пути к практическим квантовым компьютерам и сетям, работающим при комнатной температуре, которые долгое время было сложно реализовать по сравнению с другими квантовыми платформами.
Исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США и проводилось в Центре наномасштабных систем Гарварда при важном участии команды профессора Марко Лончара по квантовой оптике и интегрированной фотонике.