Вчені Гарвардського університету досягли значного прориву у квантових обчисленнях, розробивши метаповерхні, здатні змінити спосіб обробки та передачі квантової інформації.
Дослідницька група Школи інженерії та прикладних наук імені Джона А. Полсона при Гарварді під керівництвом професора Федеріко Капассо створила спеціально спроєктовані метаповерхні — пласкі пристрої з нанорозмірними візерунками для керування світлом, які слугують ультратонкою заміною громіздких оптичних квантових систем. Їхні результати були опубліковані 24 липня 2025 року в журналі Science у статті під назвою "Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference".
"Ми пропонуємо значну технологічну перевагу у вирішенні проблеми масштабованості," пояснює аспірант Керолос М.А. Юсеф, перший автор статті. "Тепер ми можемо зменшити всю оптичну систему до однієї метаповерхні, яка є дуже стабільною та надійною."
Традиційні квантові фотонні системи покладаються на складні мережі лінз, дзеркал і світлорозділювачів для маніпулювання фотонами та створення заплутаних станів, необхідних для квантових обчислень. Зі збільшенням кількості компонентів такі системи стають дедалі громіздкішими, що ускладнює створення практичних квантових комп'ютерів. Інновація гарвардської команди об'єднує всі ці елементи в одну пласку матрицю субхвильових елементів, які з надзвичайною точністю керують світлом.
Ключовим нововведенням стало застосування командою теорії графів — розділу математики, що використовує точки та лінії для представлення зв'язків — для проєктування метаповерхонь, здатних контролювати такі властивості фотонів, як яскравість, фаза та поляризація. Такий підхід дозволив наочно відобразити, як фотони взаємодіють один з одним, і передбачати результати експериментів, що зробило проєктування складних квантових станів більш інтуїтивним.
"Завдяки підходу графів проєктування метаповерхні та оптичний квантовий стан стають двома сторонами однієї медалі," зазначає науковий співробітник Ніл Сінклер, який долучився до проєкту.
Створені метаповерхні мають низку переваг над традиційними системами: вони не потребують складного юстування, стійкі до впливу навколишнього середовища, можуть виготовлятися стандартними напівпровідниковими методами та мінімізують оптичні втрати — критично важливий фактор для збереження цілісності квантової інформації.
Окрім квантових обчислень, ця технологія може сприяти розвитку квантових сенсорів і забезпечити "лабораторію на чипі" для фундаментальних наукових досліджень. Робота є важливим кроком до практичних квантових комп'ютерів і мереж, що працюють при кімнатній температурі, реалізація яких досі була складною у порівнянні з іншими квантовими платформами.
Дослідження фінансувалося Управлінням наукових досліджень ВПС США та виконувалося у Центрі наномасштабних систем Гарварду за тісної співпраці з командою професора Марко Лончара з квантової оптики та інтегрованої фотоніки.