Το νέο Metasurface του Χάρβαρντ συρρικνώνει την κβαντική οπτική σε ένα μόνο εξαιρετικά λεπτό τσιπ

Οι ερευνητές του Χάρβαρντ ανέπτυξαν μια μετα-επιφάνεια ικανή να αντικαταστήσει πολύπλοκα οπτικά στοιχεία στον κβαντικό υπολογισμό, με στόχο να ενισχύσει την επεκτασιμότητα, τη σταθερότητα και τη συμπαγή κβαντικά δίκτυα. Αυτή η καινοτομία χρησιμοποιεί τη θεωρία γραφημάτων για να απλοποιήσει το σχεδιασμό των κβαντικών μεταεπιφανειών, επιτρέποντας τη δημιουργία μπερδεμένων φωτονίων και τις κβαντικές λειτουργίες σε ένα μόνο, εξαιρετικά λεπτό τσιπ.

Τα φωτόνια, ως θεμελιώδη σωματίδια φωτός, προσφέρουν δυνατότητες μεταφοράς πληροφοριών σε κβαντικούς υπολογιστές και δίκτυα. Οι τρέχουσες μέθοδοι περιλαμβάνουν κυματοδηγούς σε μικροτσίπ ή ογκώδεις οπτικές συσκευές όπως φακούς και διαχωριστές δέσμης για να μπερδέψουν τα φωτόνια για την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών. Ωστόσο, η κλιμάκωση αυτών των συστημάτων παρουσιάζει προκλήσεις λόγω του μεγάλου αριθμού εξαρτημάτων και των ατελειών τους.

Οι ερευνητές οπτικών στο Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), με επικεφαλής τον Robert L. Wallace, καθηγητή Εφαρμοσμένης Φυσικής, Federico Capasso, δημιούργησαν εξειδικευμένες μεταεπιφάνειες. Αυτές οι επίπεδες συσκευές, χαραγμένες με μοτίβα νανοκλίμακας, λειτουργούν ως λεπτές αναβαθμίσεις για κβαντικά οπτικά τσιπ.

Η έρευνα, που χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας (AFOSR), ήταν δημοσιευμένο στην Επιστήμη. Η ομάδα του Capasso έδειξε ότι μια μετα-επιφάνεια θα μπορούσε να δημιουργήσει περίπλοκες, μπερδεμένες καταστάσεις φωτονίων για κβαντικές λειτουργίες, αναπαράγοντας λειτουργίες μεγαλύτερων οπτικών συσκευών.

«Εισάγουμε ένα σημαντικό τεχνολογικό πλεονέκτημα όσον αφορά την επίλυση του προβλήματος της επεκτασιμότητας», δήλωσε ο μεταπτυχιακός φοιτητής και πρώτος συγγραφέας Kerolos MA Yousef. «Τώρα μπορούμε να μικρογραφήσουμε μια ολόκληρη οπτική διάταξη σε μια ενιαία μετα-επιφάνεια που είναι πολύ σταθερή και στιβαρή».

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι οπτικές κβαντικές συσκευές θα μπορούσαν να βασίζονται σε ανθεκτικές σε σφάλματα μεταεπιφάνειες αντί για συμβατικά εξαρτήματα. Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν απλούστερους σχεδιασμούς χωρίς περίπλοκες ευθυγραμμίσεις, ανθεκτικότητα σε διαταραχές, οικονομική αποδοτικότητα, απλότητα κατασκευής και χαμηλή οπτική απώλεια. Αυτή η προσέγγιση βοηθά τον κβαντικό υπολογισμό σε θερμοκρασία δωματίου, τη δικτύωση, την κβαντική ανίχνευση και τις δυνατότητες “εργαστήριο σε τσιπ”.

Ο σχεδιασμός μιας μετα-επιφάνειας για τον έλεγχο ιδιοτήτων όπως η φωτεινότητα, η φάση και η πόλωση γίνεται μαθηματικά πολύπλοκος καθώς αυξάνονται οι αριθμοί φωτονίων και qubit. Κάθε προστιθέμενο φωτόνιο δημιουργεί νέα μονοπάτια παρεμβολής, που παραδοσιακά απαιτούν έναν αυξανόμενο αριθμό διαχωριστών δέσμης και θυρών εξόδου.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη θεωρία γραφημάτων, έναν μαθηματικό κλάδο που χρησιμοποιεί σημεία και γραμμές για να αναπαραστήσουν συνδέσεις, για να διαχειριστούν αυτήν την πολυπλοκότητα. Αντιπροσωπεύοντας τις μπερδεμένες καταστάσεις φωτονίων ως διασυνδεδεμένες γραμμές και σημεία, οραματίστηκαν την παρεμβολή φωτονίων και προέβλεψαν πειραματικά αποτελέσματα. Η θεωρία γραφημάτων είναι κοινή σε ορισμένες εφαρμογές κβαντικού υπολογισμού και διόρθωσης σφαλμάτων, αλλά όχι συνήθως στο σχεδιασμό μετα-επιφανειών.

Η εργασία προέκυψε από μια συνεργασία με το εργαστήριο του Marko Loncar, το οποίο συνεισέφερε τεχνογνωσία και εξοπλισμό στην κβαντική οπτική και την ολοκληρωμένη φωτονική.

Ο ερευνητής Neal Sinclair σχολίασε: «Είμαι ενθουσιασμένος με αυτή την προσέγγιση, γιατί θα μπορούσε να κλιμακώσει αποτελεσματικά τους οπτικούς κβαντικούς υπολογιστές και τα δίκτυα – κάτι που εδώ και πολύ καιρό ήταν η μεγαλύτερη πρόκληση σε σύγκριση με άλλες πλατφόρμες όπως οι υπεραγωγοί ή τα άτομα». Ο Sinclair πρόσθεσε, “Προσφέρει επίσης νέα γνώση για την κατανόηση, το σχεδιασμό και την εφαρμογή των μεταεπιφανειών, ειδικά για τη δημιουργία και τον έλεγχο του κβαντικού φωτός. Με την προσέγγιση γραφήματος, κατά κάποιο τρόπο, ο σχεδιασμός μετα-επιφανειών και η οπτική κβαντική κατάσταση γίνονται δύο όψεις του ίδιου νομίσματος.”

Πίστωση επιλεγμένης εικόνας