Vedci z Harvardu dosiahli významný prelom v oblasti kvantového počítania vývojom metasúperfícií, ktoré môžu zásadne zmeniť spôsob spracovania a prenosu kvantových informácií.
Výskumný tím z Harvardovej školy inžinierstva a aplikovaných vied Johna A. Paulsona, vedený profesorom Federicom Capassom, vytvoril špeciálne navrhnuté metasúperfície – ploché zariadenia s nanometrovými vzormi na manipuláciu so svetlom, ktoré fungujú ako ultra-tenké náhrady objemných kvantových optických zostáv. Ich výsledky boli publikované v časopise Science 24. júla 2025 v článku „Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference“.
„Prinášame zásadnú technologickú výhodu pri riešení problému škálovateľnosti,“ vysvetľuje doktorand Kerolos M.A. Yousef, hlavný autor článku. „Teraz môžeme miniaturizovať celú optickú zostavu do jednej metasúperfície, ktorá je veľmi stabilná a robustná.“
Tradičné kvantové fotonické systémy sa spoliehajú na zložité siete šošoviek, zrkadiel a deličov lúča na manipuláciu s fotónmi a vytváranie prepletených stavov potrebných pre kvantové počítanie. Tieto systémy sa s rastúcim počtom komponentov stávajú čoraz objemnejšími, čo sťažuje stavbu praktických kvantových počítačov. Inovácia harvardského tímu zjednocuje všetky tieto komponenty do jedinej plochej matice subvlnových prvkov, ktoré riadia svetlo s pozoruhodnou presnosťou.
Kľúčovou inováciou bolo využitie teórie grafov – matematickej disciplíny, ktorá používa body a spojnice na znázornenie vzťahov – na návrh metasúperfícií schopných ovládať vlastnosti ako jas, fáza a polarizácia fotónov. Tento prístup im umožnil vizuálne mapovať, ako fotóny navzájom interferujú, a predpovedať experimentálne výsledky, čo robí návrh zložitých kvantových stavov intuitívnejším.
„S grafovým prístupom sa návrh metasúperfície a optický kvantový stav stávajú dvoma stranami tej istej mince,“ poznamenáva výskumný pracovník Neal Sinclair, ktorý na projekte spolupracoval.
Výsledné metasúperfície ponúkajú množstvo výhod oproti tradičným zostavám: nevyžadujú zložité zarovnávanie, sú odolné voči vplyvom prostredia, dajú sa vyrábať štandardnými polovodičovými technikami a minimalizujú optické straty – čo je kľúčové pre zachovanie integrity kvantových informácií.
Okrem kvantového počítania môže táto technológia posunúť vpred kvantové senzory a umožniť laboratóriá na čipe pre základný vedecký výskum. Práca predstavuje významný krok k praktickým kvantovým počítačom a sieťam fungujúcim pri izbovej teplote, ktoré boli doteraz v porovnaní s inými kvantovými platformami ťažko realizovateľné.
Výskum bol financovaný Úradom pre vedecký výskum letectva USA a realizovaný v Harvardskom centre pre nanoskopické systémy, s kľúčovou spoluprácou tímu profesora Marka Lončara pre kvantovú optiku a integrovanú fotoniku.