哈佛大学超薄芯片可能彻底革新量子计算领域

• 新研究表明超表面可用作强大的线性量子光学网络
• 此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进单一超表面

在迈向实用量子计算机与网络的竞赛中，作为室温下快速信息载体的光子（光的基本粒子）展现出诱人前景。光子通常通过延伸微芯片上的波导，或由透镜、反射镜和分束器构成的庞大设备进行量子态控制与引导。这些光学元件构成的复杂网络使光子发生纠缠——从而能并行编码和处理量子信息。但由于执行任何有意义计算或组网所需元件数量庞大且存在缺陷，此类系统难以扩展的问题众所周知。

能否将所有光学元件压缩成单一、扁平、由亚波长元件构成的超薄阵列，在实现完全相同光控效果的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）的光学研究者实现了这一目标。由罗伯特·L·华莱士应用物理学教授兼电子工程学温顿·海斯高级研究员费德里科·卡帕索领导的研究团队，设计出具有纳米级光控图案的平面设备——特殊超表面，用作量子光学芯片与装置的超薄升级元件。

该研究发表于《科学》期刊，由美国空军科学研究办公室（AFOSR）资助。

卡帕索团队证明，超表面可生成复杂的光子纠缠态以执行量子操作——如同使用具有多种元件的大型光学设备所实现的效果。

"我们在解决可扩展性问题方面引入了重大技术优势，"论文第一作者、研究生凯洛罗斯·M·A·优素福表示，"如今可将整套光学装置微型化为单一超表面，其稳定性和鲁棒性极为优异。"

超表面：鲁棒且可扩展的量子光子处理器

该成果预示着光学量子设备可能发生范式转变：传统组件（如难以扩展的波导和分束器）乃至延伸型光学微芯片将被抗错的超表面取代，后者具备多重优势：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，这项工作奠定了基于超表面的量子光学基础，不仅为室温量子计算机与网络开辟道路，还可助力量子传感或为基础科学提供"芯片实验室"能力。

设计能精确调控亮度、相位和偏振等属性的单一超表面面临独特挑战，因为当光子数量（即量子比特数）增加时会产生数学复杂性。每增加一个光子都会引入大量新干涉路径，在传统装置中这需要急速增加分束器与输出端口数量。

用于超表面设计的图论

为梳理复杂性问题，研究者借助了以点线表示连接关系的数学分支——图论。将纠缠光子态表示为多点连线后，他们能直观判定光子间如何干涉并预测实验效应。图论虽在特定量子计算与量子纠错中已有应用，但通常未被纳入超表面的设计与操作范畴。

本论文是与马克·隆卡尔实验室的合作成果，其团队专攻量子光学与集成光子学，提供了必要的专业知识和设备。

"此方案令我振奋，它能高效扩展光学量子计算机与网络——这是相比超导体或原子等其他平台长期存在的最大挑战，"研究科学家尼尔·辛克莱表示，"该研究还为理解、设计和应用超表面（尤其在产生与控制量子光方面）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FA9550-21-1-0312号奖项等联邦资金支持，工作于哈佛大学纳米系统中心完成。