哈佛大学的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到单个超表面中

在迈向实用量子计算机与网络的竞赛中，光子——光的基本粒子——作为室温下高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庞大设备进行控制和诱导进入量子态。这些光子通过复杂的光学元件网络实现纠缠，使其能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，此类系统难以扩展。

能否将所有光学元件压缩成单一的超薄亚波长元件平面阵列，在实现同等光控功能的同时大幅减少制造部件？

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设想。由应用物理学Robert L. Wallace讲席教授兼电子工程Vinton Hayes高级研究员Federico Capasso领导的团队，设计出具有纳米级光控图案的超表面平面器件，作为量子光学芯片与装置的超薄升级方案。

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团队证明超表面能生成复杂的光子纠缠态以执行量子操作——其效果可与多元件大型光学设备相媲美。

"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，"如今可将整套光学装置微型化为单一超表面，其稳定性与鲁棒性显著提升。"

超表面：鲁棒且可扩展的量子光子处理器

该成果预示光学量子设备可能迎来范式转变：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，转而采用具备多重优势的抗误差超表面——无需精密校准、抗干扰性强、成本效益高、制造简易且光学损耗低。广义而言，这项研究奠定了超表面量子光学基础，不仅为室温量子计算机与网络开辟道路，还可推动量子传感发展，或为基础科学提供"芯片实验室"能力。

设计能精确调控亮度、相位和偏振等特性的单一超表面面临独特挑战：当光子数量（即量子比特数）增加时，数学复杂度急剧上升。每增加一个光子都会引入新干涉路径，传统装置需配置激增的分束器与输出端口。

超表面设计的图论方法

为驾驭复杂性，研究者借助以点线表示关联关系的图论数学分支。通过将纠缠光子态转化为多点线连接图，可直观判定光子间干涉效应并预测实验结果。图论虽用于特定量子计算与量子纠错领域，但此前未应用于超表面的设计与操作。

本论文与Marko Loncar实验室合作完成，其团队专精量子光学与集成光子学，提供了关键技术与设备支持。

"此方案令人振奋，它能高效扩展光学量子计算机与网络——这始终是相较于超导体或原子等其他平台的最大挑战，"研究科学家Neal Sinclair指出，"还为理解、设计及应用超表面（尤其在量子光生成与控制方面）提供新视角。采用图论方法时，超表面设计与光学量子态可谓一体两面。"

研究获得FA9550-21-1-0312号等联邦基金资助，实验在哈佛大学纳米系统中心完成。