Современный мир стремится к созданию квантовых компьютеров и сетей, способных решать задачи, недоступные классическим системам. Фотонные технологии давно рассматриваются как перспективное направление благодаря способности света быстро переносить информацию и сохранять квантовые состояния при комнатной температуре. Однако традиционные методы управления фотонами базируются на громоздких и сложных в производстве устройствах — оптических микрочипах с волноводами, зеркалами, призматами и разделителями пучка. Такие системы обладают высокой степенью сложности и требуют точной юстировки, что сильно ограничивает их масштабирование и практичность в реальных приложениях.Перспективным решением этой проблемы выступают метаповерхности — сверхтонкие пластины с нанесёнными на них наноразмерными элементами, способные управлять светом с исключительной точностью.
Исследовательская группа под руководством профессора Федерико Капассо из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук сделала прорыв в создании таких устройств, доказав, что с помощью метаповерхностей можно создавать сложные запутанные состояния фотонов, необходимые для квантовой обработки информации. Работа, опубликованная в Science, продемонстрировала, что единственная метаповерхность способна заменить многочисленные крупные оптические элементы и выполнять те же самые квантовые оптические операции, что традиционные установки.Одним из главных преимуществ метаповерхностей является их компактность и стабильность. Они не требуют сложной настройки и юстировки, что значительно повышает надежность работы квантовых устройств. Простота изготовления и низкие потери при прохождении света делают их идеальной платформой для интеграции в будущие квантовые компьютеры и фотонные сети.
Кроме того, отказ от громоздкой оптики открывает путь к созданию портативных и доступных решений для квантовых технологий.Однако управление квантовыми состояниями фотонов на метаповерхностях представляет собой немалую математическую и техническую задачу. С увеличением числа фотонов растет количество возможных путей интерференции и взаимодействия, что традиционно требовало увеличения числа оптических компонентов. Чтобы упростить этот процесс, команда Капассо применила методы теории графов — раздела математики, изучающего сети узлов и связей между ними. Такой подход позволил визуализировать запутанные состояния и спрогнозировать их поведение в экспериментах, упростив разработку эффективных и масштабируемых проектов метаповерхностей.
Использование графов для разработки метаповерхностей не только облегчает конструирование квантовых оптических устройств, но и вносит новый взгляд на слияние дизайна самого устройства и квантового состояния света, которое оно формирует. Это инновационное сочетание дает серьезные преимущества для создания квантовых информационных процессоров, которые могут работать в реальных условиях, не требуя специальных криогенных систем.В сотрудничестве с лабораторией Марко Лончара, специализирующейся на квантовой оптике и интегрированной фотонике, исследователям удалось объединить высокотехнологичное оборудование и глубокие теоретические знания, что позволило добиться впечатляющих результатов. Эти открытия вызывают энтузиазм среди ученых и технических специалистов, так как метаповерхности могут стать одним из ключевых направлений в развитии масштабируемых квантовых вычислительных систем.На фоне конкуренции с другими платформами квантовых вычислений, такими как сверхпроводники или ионы, фотонные метаповерхности обещают кардинальное упрощение и повышение устойчивости систем.
Возможность создавать компактные и точные квантовые схемы без сложной механической подстройки открывает совершенно новые перспективы для коммерциализации квантовых технологий.Помимо квантовых вычислений, метаповерхности могут значительно повлиять на развитие квантовой связи и сенсорных систем. Их высокая чувствительность и способность к управлению светом на наномасштабе позволяют создавать системы квантового сенсинга нового поколения, способные работать в повседневных условиях и обеспечивать высокоточную детекцию и измерения.Кроме того, миниатюризация за счет использования метаповерхностей способствует развитию концепции «лаборатории на чипе», когда многие сложные оптические эксперименты и процессы могут быть выполнены на компактных устройствах, что значительно расширит возможности фундаментальных исследований и прикладных технологий.Становится очевидным, что метаповерхности — это не просто очередная технология, а потенциально революционное изобретение, способное изменить парадигму квантовых информационных технологий.
Благодаря их универсальности, простоте, устойчивости и возможности масштабирования они могут вывести квантовые вычисления из экспериментальных лабораторий в практическую плоскость, ускорив реализацию квантовых компьютеров и сетей, работающих при комнатной температуре.Таким образом, исследование, проводимое командой под руководством Федерико Капассо, открывает дверь в новый мир квантовой оптики на основе метаповерхностей. Его результаты закладывают фундамент для дальнейших инноваций в сферах квантовой информатики, коммуникаций и сенсорики. Будущее квантовой технологии может стать именно плоским — в буквальном смысле — благодаря ультратонким наноструктурированным поверхностям, которые будут управлять светом с беспрецедентной точностью и эффективностью.
