Прорыв Гарварда: ультратонкий чип устраняет ключевые препятствия в квантовых вычислениях

Исследователи из Гарвардского университета разработали новый метод выполнения сложных квантовых операций с помощью одного плоского оптического устройства.

Это устройство, называемое метаповерхностью, заменяет множество традиционных оптических компонентов, решая одну из главных технических проблем в обработке квантовой информации на основе фотонов.

«Фотоны — элементарные частицы света — перспективны как носители информации в квантовых компьютерах и сетях, поскольку работают при комнатной температуре», — пояснили исследователи в пресс-релизе.

Однако управление фотонами обычно требует множества отдельных элементов: линз, зеркал, светоделителей. Запутывание фотонов (необходимое для параллельных вычислений) предполагает создание сложных систем из этих компонентов.

«Такие системы крайне сложно масштабировать из-за большого числа деталей и их несовершенства», — отметили авторы.

Одна метаповерхность вместо громоздких установок

Команда Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) под руководством профессора Федерико Капассо создала метаповерхность, которая заменяет традиционные системы.

Метаповерхность — это ультратонкая пластина с наноструктурами, меньшими, чем длина волны света. Эти структуры управляют свойствами света, такими как фаза и поляризация.

«Мы решили проблему масштабируемости: теперь всю оптическую систему можно уменьшить до одной стабильной и надежной метаповерхности», — заявил аспирант Керолос Юсеф, ведущий автор исследования.

Новый подход к проектированию

Ключевым этапом работы стала разработка метода для расчёта сложных многофотонных квантовых состояний. Учёные применили теорию графов — раздел математики, изучающий связи в сетях.

Графы помогли отобразить интерференционные пути фотонов, а затем преобразовать их в физическую структуру наноструктур на метаповерхности.

«Дизайн метаповерхности и квантовое состояние стали двумя сторонами одной медали», — отметил исследователь Нил Синклер.

Преимущества технологии

Монолитная конструкция метаповерхности устойчивее систем из множества компонентов и менее чувствительна к внешним воздействиям.

Устройство производится по стандартным полупроводниковым технологиям, что упрощает его массовое изготовление. Кроме того, оно минимизирует потери света, что критично для сохранения квантовой информации.

Применение технологии не ограничивается вычислениями. Она может быть полезна в квантовых сенсорах и компактных лабораториях для фундаментальных исследований.

Источник: vk.com

Комментарии: