Інженери з Гарварду створили надтонку метаповерхню, здатну замінити цілі квантові оптичні установки.

Фотони — частинки з яких складається світло, стають все більш перспективними для швидкої передачі інформації. Однак зазвичай для переведення фотонів у необхідні квантові стани потрібні складні хвильоводи на великих громіздких чипах або установках з лінз, дзеркал і світлодільників. Ці компоненти дозволяють переводити фотони у стан квантової заплутаності, у якому частинки обробляють і передають інформацію паралельно. 

Ці системи складаються із великої кількості крихких деталей, що ускладнює їхнє масштабування. Однак інженери з Гарварду придумали, як розмістити анологічну систему на надтонкій метаповерхні, що за допомогою наноотворів керує світлом так само ефективно, як і більш масштабні системи.

Під керівництвом професора прикладної фізики Федеріко Капассо та старшого наукового співробітника з електротехніки Вінтона Хейса, група дослідників з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона А. Полсона (SEAS) розробила спеціалізовані метаповерхні, що слугують компактною заміною традиційних квантово-оптичних систем. Дослідники продемонстрували, що метаповерхні здатні генерувати заплутані стани фотонів та виконувати складні квантові операції так само, як і більші оптичні системи, що використовують велику кількість компонентів. 

Отримані результати демонструють можливість створення революційних квантових пристроїв, що базуватимуться не на традиційних важко масштабованих компонентах, зокрема, хвильоводах та світлодільниках, і навіть не на розширених оптичних мікрочипах, а на стійких до помилок метаповерхнях, що володіють безліччю переваг: конструкціями, що не потребують складного налаштування, стійкістю до збурень, економічністю, простотою виготовлення та низькими оптичними втратами.

Розробка метаповерхні, яка точно керувала б такими властивостями, як яскравість, фаза та поляризація, представляла собою складну задачу з математичної точки зору. Складність виникала під час збільшення кількості фотонів і, відповідно, кубітів. Кожен новий фотон створює велику кількість нових шляхів інтерференції, що у традиційній системі вимагало б швидко зростаючої кількості світлодільників і вихідних портів.

Для впорядкування цієї складної системи дослідники використали математичну теорію графів. Ця теорія використовує точки і лінії для демонстрації зв’язків та взаємозв’язків. Представляючи заплутані стани фотонів у вигляді безлічі з’єднаних ліній і точок, вони змогли візуально визначити, як фотони інтерферують один з одним і передбачити їхній вплив в експериментах. Готове дослідження стало результатом співпраці з лабораторією Марко Лончара, чия команда спеціалізується на квантовій оптиці та інтегрованій фотоніці та надала необхідні експертні знання та обладнання.

Результати дослідження опубліковані у журналі Science

Джерело: SciTechDaily