哈佛超薄芯片可能彻底改变量子计算

• 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。