Инженеры из Гарварда создали сверхтонкую метаповерхность, способную заменить целые квантовые оптические установки.
Фотоны — частицы из которых состоит свет, становятся все более перспективными для быстрой передачи информации. Однако обычно для перевода фотонов в необходимые квантовые состояния требуются сложные волноводы на больших громоздких чипах или установках из линз, зеркал и светоделителей. Эти компоненты позволяют переводить фотоны в состояние квантовой запутанности, в котором частицы обрабатывают и передают информацию параллельно.
Эти системы состоят из большого количества хрупких деталей, что затрудняет их масштабирование. Однако инженеры из Гарварда придумали, как разместить анологичную систему на сверхтонкой метаповерхности, которая с помощью наноотверстий управляет светом так же эффективно, как и более масштабные системы.
Под руководством профессора прикладной физики Федерико Капассо и старшего научного сотрудника по электротехнике Винтона Хейса, группа исследователей из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработала специализированные метаповерхности, которые служат компактной заменой традиционных квантово-оптических систем. Исследователи продемонстрировали, что метаповерхности способны генерировать запутанные состояния фотонов и выполнять сложные квантовые операции так же, как и большие оптические системы, использующие большое количество компонентов.
«Мы получаем серьезное технологическое преимущество в решении проблемы масштабируемости. Теперь мы можем свести всю оптическую установку в единую метаповерхность, которая отличается высокой стабильностью и надежностью», — объясняет первый автор исследования Керолос Юсеф.
Полученные результаты демонстрируют возможность создания революционных квантовых устройств, которые будут базироваться не на традиционных трудно масштабируемых компонентах, в частности, волноводах и светоделителях, и даже не на расширенных оптических микрочипах, а на устойчивых к ошибкам метаповерхностях, обладающих множеством преимуществ: конструкциями, не требующими сложной настройки, устойчивостью к возмущениям, экономичностью, простотой изготовления и низкими оптическими потерями.
Разработка метаповерхности, которая точно управляла бы такими свойствами, как яркость, фаза и поляризация, представляла собой сложную задачу с математической точки зрения. Сложность возникала при увеличении количества фотонов и, соответственно, кубитов. Каждый новый фотон создает большое количество новых путей интерференции, что в традиционной системе требовало бы быстро растущего количества светоделителей и выходных портов.
Для упорядочения этой сложной системы исследователи использовали математическую теорию графов. Эта теория использует точки и линии для демонстрации связей и взаимосвязей. Представляя запутанные состояния фотонов в виде множества соединенных линий и точек, они смогли визуально определить, как фотоны интерферируют друг с другом и предсказать их влияние в экспериментах. Готовое исследование стало результатом сотрудничества с лабораторией Марко Лончара, чья команда специализируется на квантовой оптике и интегрированной фотонике и предоставила необходимые экспертные знания и оборудование.
«Я вдохновлен этим подходом, поскольку он позволяет эффективно масштабировать оптические квантовые компьютеры и сети, что долгое время было самой большой проблемой по сравнению с другими платформами, такими как сверхпроводники или атомы. В некотором смысле, при этом подходе проектирование метаповерхностей и оптическое квантовое состояние становятся двумя сторонами одной медали», — исследователь Нил Синклер.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science
Источник: SciTechDaily
Сообщить об опечатке
Текст, который будет отправлен нашим редакторам: