哈佛大学研究人员开发出突破性超表面技术，可将量子计算中使用的笨重复杂光学元件替换为单一超薄纳米结构层。这项创新有望大幅提升量子网络的可扩展性、稳定性和紧凑性。该团队运用图论原理简化了量子超表面设计，使其能在比头发丝还薄的芯片上生成纠缠光子对并执行复杂量子操作。这标志着室温量子技术与光子学领域的重大飞跃。
- 新研究表明超表面可用作强大的线性量子光学网络
- 该方法可消除对波导及其他传统光学元件的需求
- 图论有助于将量子光学网络功能设计集成至单一超表面
在迈向实用量子计算机与量子网络的进程中，光子——光的基本粒子——作为室温下快速信息载体展现出诱人前景。光子通常通过微芯片上的波导，或由透镜、反射镜和分束器构成的笨重设备进行控制和诱导进入量子态。光子通过这些光学元件的复杂网络发生纠缠——使其能够并行编码和处理量子信息。但由于进行有效计算或组网所需元件数量庞大且存在缺陷，此类系统的规模化扩展难度众所周知。
能否将所有光学元件压缩成单一、扁平、由亚波长元素构成的超薄阵列，以完全相同的方式控制光，同时大幅减少制造部件数量？
哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的光学研究者们实现了这一目标。由罗伯特·华莱士应用物理学教授兼电气工程系文顿·海斯高级研究员Federico Capasso领导的研究团队，设计出具有纳米级光操纵图案的超表面——这种扁平器件可作为量子光学芯片和装置的极薄升级方案。
该研究发表于《科学》期刊，并获得美国空军科学研究办公室（AFOSR）资助。
Capasso团队证明：单个超表面即可创建复杂的光子纠缠态以执行量子操作——其功能可与配备多种元件的庞大光学设备相媲美。
"我们在解决可扩展性问题上引入了重大技术优势，"研究生兼第一作者Kerolos M.A. Yousef表示，"现在能将整套光学装置微型化为单一超表面，其性能极其稳定且坚固。"
超表面：坚固且可扩展的量子光子处理器
该研究成果暗示：基于超表面的光学量子设备可能实现范式转变——它不再依赖波导、分束器等难以扩展的传统元件或大型光学微芯片，而是利用抗误差超表面提供多重优势：设计无需精密校准、抗扰动性强、成本效益高、制造工艺简单且光学损耗低。广义而言，这项研究开创了基于超表面的量子光学领域，不仅为室温量子计算机和网络开辟道路，还可推动量子传感发展，或为基础科学提供"芯片实验室"功能。
设计能精细调控亮度、相位和偏振等特性的单一超表面面临独特挑战，因为随着光子数量（即量子比特数）增加，数学复杂度急剧上升。每增加一个光子都会引入大量新干涉路径，在传统装置中这将要求分束器和输出端口数量呈指数级增长。
超表面设计的图论方法
为驾驭复杂性，研究者借助称为图论的数学分支——该理论用点与线表示连接和关系。通过将纠缠光子态表示为多点连线网络，他们能直观判断光子间如何干涉，并预测实验效果。图论虽在特定量子计算和量子纠错中应用，但此前鲜少用于超表面的设计和操作。
该论文与Marko Loncar实验室合作完成，其团队专精量子光学与集成光子学，提供了关键的专业知识和设备支持。
"这种方案令我振奋，它能高效扩展光学量子计算机和网络——相比超导体或原子等其他平台，可扩展性一直是光学方案的最大瓶颈，"研究科学家Neal Sinclair指出，"该研究还为理解、设计和应用超表面（特别是生成与控制量子光）提供了新视角。借助图论方法，超表面设计与光学量子态在某种意义上成为同一事物的两面。"
研究获得包括AFOSR（资助号FA9550-21-1-0312）在内的联邦资金支持，所有工作均在哈佛大学纳米系统中心完成。