哈佛大学的研究人员开发了一种超表面，能够替代复杂的光学元件 量子计算，旨在增强量子网络的可扩展性、稳定性和紧凑性。这项创新利用图论来简化量子超表面的设计，从而在单个超薄芯片上实现纠缠光子生成和量子操作。光子作为基本的光粒子，为量子计算机和网络中的信息传输提供了可能性。目前的方法涉及微芯片上的波导或透镜和分束器等大型光学设备，以纠缠光子以进行量子信息处理。然而，由于组件数量众多且存在缺陷，扩展这些系统面临着挑战。哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的光学研究人员在 Robert L. Wallace 应用物理学教授 Federico Capasso 的领导下，创建了专门的超表面。这些扁平器件刻有纳米级图案，可作为量子光学芯片的薄型升级版。该研究由空军科学研究办公室 (AFOSR) 资助 发表 在科学中。卡帕索的团队证明，超表面可以为量子操作生成复杂的纠缠光子态，从而复制大型光学设备的功能。 “在解决可扩展性问题方面，我们正在引入一项重大技术优势，”研究生兼第一作者 Kerolos MA Yousef 说道。 “现在我们可以将整个光学装置小型化为一个非常稳定和坚固的超表面。”结果表明，光学量子器件可以基于防错超表面而不是传统组件。优点包括设计更简单，无需复杂的对准、对扰动的鲁棒性、成本效益、制造简单性和低光学损耗。这种方法有助于室温量子计算、网络、量子传感和“芯片实验室”功能。随着光子和量子比特数量的增加，设计超表面来控制亮度、相位和偏振等特性在数学上变得复杂。每个添加的光子都会产生新的干涉路径，传统上需要越来越多的分束器和输出端口。研究人员采用图论（一种使用点和线表示连接的数学分支）来管理这种复杂性。通过将纠缠光子态表示为互连的线和点，他们可视化了光子干涉并预测了实验效果。图论在一些量子计算和纠错应用中很常见，但在超表面设计中并不常见。这篇论文是与 Marko Loncar 实验室合作的成果，该实验室贡献了量子光学和集成光子学方面的专业知识和设备。研究科学家尼尔·辛克莱评论道：“我对这种方法感到兴奋，因为它可以有效地扩展光量子计算机和网络——与超导体或原子等其他平台相比，这长期以来一直是它们面临的最大挑战。”辛克莱补充道：“它还为超表面的理解、设计和应用提供了新的见解，特别是在生成和控制量子光方面。通过图方法，在某种程度上，超表面设计和光学量子态成为同一枚硬币的两个侧面。”
