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.
«Ми отримуємо серйозну технологічну перевагу у вирішенні проблеми масштабованості. Тепер ми можемо зменшити всю оптичну установку в єдину метаповерхню, яка відрізняється високою стабільністю та надійністю», — пояснює перший автор дослідження Керолос Юсеф.
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.
«Я натхненний цим підходом, оскільки він дозволяє ефективно масштабувати оптичні квантові комп’ютери та мережі, що тривалий час було найбільшою проблемою порівняно з іншими платформами, такими як надпровідники чи атоми. У певному сенсі, при цьому підході проєктування метаповерхонь та оптичний квантовий стан стають двома сторонами однієї медалі», — дослідник Ніл Сінклер.
Результати дослідження опубліковані у журналі Science
Джерело: SciTechDaily
Повідомити про помилку
Текст, який буде надіслано нашим редакторам: