哈佛的超薄芯片可能会彻底改变量子计算

• 新研究显示，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的功能集成到单个超表面设计中

在走向实用量子计算机和网络的竞赛中，光子——光的基本粒子——作为室温下的高速信息载体展现出诱人前景。光子通常通过在扩展微芯片上的波导，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。光子通过这些光学元件的复杂网络实现纠缠，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集成到单一、平面、超薄的亚波长元件阵列中，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。由应用物理学罗伯特·L·华莱士讲席教授、电气工程维顿·海斯高级研究员Federico Capasso领导的研究团队，创造了经特殊设计的超表面——通过纳米级光操控图案蚀刻的平面器件——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，并获得美国空军科学研究办公室（AFOSR）资助。

Capasso及其团队证明，超表面能创建复杂的光子纠缠态以执行量子操作——其效果可与包含众多不同元件的更大光学设备相媲美。

"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，"现在可将整个光学装置微型化至单个超表面中，该设计极为稳定且坚固。"

超表面：稳健且可扩展的量子光子处理器

他们的研究成果暗示了一种范式转变的可能性：光学量子设备可不再依赖传统且难以扩展的组件（如波导和分束器），甚至不再依赖扩展的光学微芯片；取而代之的是基于抗误差干扰的超表面，其具备多重优势：无需复杂校准的设计、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，这项工作体现了基于超表面的量子光学技术，不仅为室温量子计算机和网络开辟道路，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。每增加一个光子都会引入大量新干涉路径，在传统装置中这需要快速增加的分束器和输出端口数量。

面向超表面设计的图论

为驾驭这种复杂性，研究人员借助了称为图论的数学分支——该理论使用点和线表示连接与关系。通过将纠缠光子态表示为多条连接的点和线，他们能直观确定光子间的干涉方式并预测实验效应。图论虽在特定量子计算和量子纠错领域有应用，但通常未在超表面（包括其设计与操作）领域被考虑。

这项成果是与Marko Loncar实验室的合作成果，其团队专长于量子光学和集成光子学，提供了必要的专业知识和设备支持。

"这种方法让我感到振奋，它能高效扩展光学量子计算机和网络——这始终是相比超导体或原子等其他平台的最大挑战，"研究科学家Neal Sinclair表示，"它还提供了理解、设计及应用超表面的新视角，特别是在生成和控制量子光方面。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。"

本研究获得包括美国空军科学研究办公室（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。