哈佛大学超薄芯片可能彻底革新量子计算

• 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和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和量子网络的竞赛中，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。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。通过这些光学元件的复杂网络，光子发生纠缠——使其能够并行编码和处理量子信息。但由于进行任何有意义的计算或组网所需部件数量庞大且存在缺陷，此类系统 notoriously 难以扩展。

能否将所有光学元件压缩成单一、扁平、超压缩成单一、扁平、超薄的亚波长元件阵列，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）的光学研究人员实现了这一目标。由罗伯特·L·华莱士应用物理学教授兼电气工程文顿·海斯高级研究员费德里科·卡帕索领导的研究团队，创造了特殊设计的超表面——刻有纳米级光操纵图案的平面器件——作为量子光学芯片和装置的超薄升级方案。

该研究发表于《科学》期刊，并获美国空军科学研究办公室（AFOS获美国空军科学研究办公室（AFOSR）资助。

卡帕索团队证明，超表面可产生复杂的光子纠缠态以执行量子操作——其效果等同于使用具有众多不同元件的更大光学设备。

"我们在解决可扩展性问题方面引入了重大技术优势，"研究生兼第一作者凯洛罗斯·M·A·优素福表示，"现在我们可以将整个光学装置微型化为单个超表面，其稳定性强且坚固耐用。"

超表面：稳健且可扩展的量子光子处理器

其研究结果暗示了范式转变的可能性：光学量子器件可不再基于波导、分束器等难以扩展的传统元件，甚至不再依赖延伸的光学微芯片，而是基于具有多重优势的抗误差超表面：设计无需精密对准、抗干扰性强、成本效益高、制造简单且光学损耗低。广义而言，这项工作体现了基于超表面的量子光学，不仅为室温量子计算机和网络开辟道路，还可惠及量子传感或为基础科学提供"芯片实验室"能力。

设计能精确控制亮度、相位和偏振等属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，数学复杂性急剧上升。每增加，数学复杂性急剧上升。每增加一个光子都会引入大量新干涉路径，在传统装置中这将需要快速增加的分束器和输出端口。

用于超表面设计的图论

为驾驭复杂性，研究人员借助了称为图论的数学分支，该理论用数学分支，该理论用点和线表示连接与关系。通过将纠缠光子态表示为多组连通的点和线，他们能直观确定光子如何，他们能直观确定光子如何相互干涉，并预测实验效果。图论虽用于某些量子计算和量子纠错领域，但通常未在超表面的设计和操作背景下被考量。

该成果论文是与马可·隆查尔实验室的合作成果，其团队专攻量子光学和集成光子学，提供了必要的专业知识和设备。

"专业知识和设备。

"这种方法令我振奋，它能高效扩展光学量子计算机和网络——与其他平台（如超导体或原子）相比，可扩展性长期是最大挑战，"研究科学家尼尔·辛克莱表示，"这还为理解、设计和应用超表面提供了新视角，尤其在产生和控制量子光方面。采用图论方法后，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。"

研究获得包括美国空军科研办公室（资助号 FA9550-21-1-0312）在内的联邦资金支持，工作于哈佛大学纳米系统中心完成。