Forskare vid Harvard har uppnått ett betydande genombrott inom kvantdatorer genom att utveckla metasurfaces som kan förändra hur kvantinformation bearbetas och överförs.
Forskargruppen vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, ledd av professor Federico Capasso, har skapat specialdesignade metasurfaces—platta enheter etsade med ljusmanipulerande mönster i nanoskala—som fungerar som ultratunna ersättare för skrymmande optiska kvantuppställningar. Deras resultat publicerades i Science den 24 juli 2025, i en artikel med titeln "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference".
"Vi introducerar en stor teknologisk fördel när det gäller att lösa skalbarhetsproblemet," förklarar doktoranden Kerolos M.A. Yousef, artikelns förstaförfattare. "Nu kan vi miniaturisera en hel optisk uppställning till en enda metasurface som är mycket stabil och robust."
Konventionella kvantfotoniska system är beroende av komplexa nätverk av linser, speglar och stråldelare för att manipulera fotoner och skapa de sammanflätade tillstånd som krävs för kvantdatorer. Dessa system blir alltmer svårhanterliga ju fler komponenter som läggs till, vilket gör det svårt att bygga praktiska kvantdatorer. Harvards innovation samlar alla dessa komponenter i en enda, platt matris av subvåglängdselement som styr ljuset med imponerande precision.
En central innovation var teamets användning av grafteori—en gren av matematiken som använder punkter och linjer för att representera samband—för att designa metasurfaces som kan kontrollera egenskaper som ljusstyrka, fas och polarisation hos fotoner. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt att visuellt kartlägga hur fotoner interfererar med varandra och förutsäga experimentella utfall, vilket gör designen av komplexa kvanttillstånd mer intuitiv.
"Med grafansatsen blir metasurfacedesign och det optiska kvanttillståndet två sidor av samma mynt," påpekar forskaren Neal Sinclair, som samarbetade i projektet.
De resulterande metasurfaces erbjuder många fördelar jämfört med konventionella uppställningar: de kräver ingen komplicerad justering, är robusta mot miljöstörningar, kan tillverkas med standardiserade halvledartekniker och minimerar optiska förluster—en avgörande faktor för att bevara kvantinformationens integritet.
Utöver kvantdatorer kan denna teknik driva utvecklingen av kvantsensorer och möjliggöra "lab-on-a-chip"-lösningar för grundforskning. Arbetet utgör ett viktigt steg mot praktiska kvantdatorer och kvantnätverk i rumstemperatur, något som länge varit en utmaning jämfört med andra kvantplattformar.
Forskningen finansierades av Air Force Office of Scientific Research och utfördes vid Harvards Center for Nanoscale Systems, med avgörande samarbete från professor Marko Lončars forskargrupp inom kvantoptik och integrerad fotonik.