Инженеры из Гарварда создали тонкую, как чип, метаповерхность, которая заменяет собой целые квантово-оптические установки.
Новое исследование показывает, что метаповерхности могут служить мощными строительными блоками для квантовых оптических сетей
Это открытие может позволить заменить громоздкие компоненты, такие как волноводы, зеркала и светоделители, одним плоским устройством.
Исследователи использовали теорию графов для проектирования и управления сложными квантовыми процессами непосредственно на метаповерхности.
По мере того как исследователи работают над повышением практичности квантовых компьютеров и сетей, фотоны — элементарные частицы, из которых состоит свет, — становятся многообещающими кандидатами для быстрой передачи информации даже при комнатной температуре. Как правило, для перевода фотонов в нужные квантовые состояния используются сложные конструкции из волноводов на больших микросхемах или громоздкие установки с линзами, зеркалами и светоделителями. Эти компоненты позволяют фотонам запутываться — это ключевой квантовый процесс, который позволяет им передавать и обрабатывать информацию параллельно. Однако создание и обслуживание таких сложных систем сопряжено с трудностями, поскольку они состоят из большого количества хрупких деталей, что затрудняет их масштабирование.
Что, если бы все эти компоненты можно было заменить одной ультратонкой поверхностью, которая бы точно так же управляла светом, но при этом использовала бы гораздо меньше изготовленных элементов?
Прорыв Гарварда в области плоской квантовой оптики
Исследовательская группа из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) добилась именно этого. Под руководством Федерико Капассо, профессора прикладной физики имени Роберта Л. Уоллеса и старшего научного сотрудника в области электротехники имени Винтона Хейса, группа разработала специализированные метаповерхности. На этих плоских устройствах выгравированы наноразмерные узоры, которые управляют светом и служат компактной заменой традиционному квантово-оптическому оборудованию.
Исследование было опубликовано в Science и получило финансовую поддержку от Управления научных исследований ВВС (AFOSR).
Простое масштабирование квантовых систем
Команда продемонстрировала, что метаповерхность может генерировать запутанные фотонные состояния и выполнять сложные квантовые операции — так же, как и более крупные оптические системы, состоящие из множества отдельных компонентов.
«Мы предлагаем серьёзное технологическое решение проблемы масштабируемости, — сказал аспирант и первый автор исследования Керолос М. А. Юсеф. — Теперь мы можем миниатюризировать всю оптическую систему, поместив её в одну метаповерхность, которая очень стабильна и надёжна».
Почему метаповерхности меняют правила игры
Их результаты указывают на возможность создания принципиально новых оптических квантовых устройств, основанных не на традиционных, трудно масштабируемых компонентах, таких как волноводы и светоделители, или даже на расширенных оптических микрочипах, а на устойчивых к ошибкам метаповерхностях, которые обладают целым рядом преимуществ: не требуют сложной настройки, устойчивы к возмущениям, экономичны, просты в изготовлении и имеют низкие оптические потери. В широком смысле эта работа воплощает в себе квантовую оптику на основе метаповерхностей, которая не только прокладывает путь к созданию квантовых компьютеров и сетей, работающих при комнатной температуре, но и может быть полезна для квантовых датчиков или предложить возможности «лаборатории на чипе» для фундаментальной науки
Создание единой метаповерхности, способной точно контролировать такие свойства, как яркость, фаза и поляризация, представляло собой уникальную задачу из-за математической сложности, которая возникает при увеличении количества фотонов и, следовательно, количества кубитов. Каждый дополнительный фотон создаёт множество новых интерференционных путей, для которых в обычной установке потребовалось бы быстро растущее количество светоделителей и выходных портов.
Теория графов: секретное оружие
Чтобы разобраться в этой сложной системе, исследователи обратились к разделу математики под названием «теория графов», в котором для представления связей и отношений используются точки и линии. Представляя запутанные состояния фотонов в виде множества соединённых линий и точек, они смогли визуально определить, как фотоны взаимодействуют друг с другом, и спрогнозировать их воздействие в экспериментах. Теория графов также используется в некоторых видах квантовых вычислений и квантовой коррекции ошибок, но обычно не рассматривается в контексте метаповерхностей, включая их конструкцию и работу.
Единый дизайн для света и логики
В результате совместной работы с лабораторией Марко Лончара, чья команда специализируется на квантовой оптике и интегрированной фотонике, были получены необходимые знания и оборудование.
«Я в восторге от этого подхода, потому что он может обеспечить эффективное масштабирование оптических квантовых компьютеров и сетей, что долгое время было их самой большой проблемой по сравнению с другими платформами, такими как сверхпроводники или атомы, — сказал учёный-исследователь Нил Синклер. — Он также позволяет по-новому взглянуть на понимание, проектирование и применение метаповерхностей, особенно для генерации квантового света и управления им. При использовании графового подхода проектирование метаповерхностей и оптическое квантовое состояние становятся двумя сторонами одной медали».