Новая метаповерхность произведет революцию в квантовых вычислениях27.07.2025 13:46

Создание практичных квантовых компьютеров и сетей требует эффективных способов передачи информации при комнатной температуре. В этом случае фотоны, представляющие собой элементарные частицы света, становятся крайне перспективными кандидатами благодаря своей способности быстро перемещаться и взаимодействовать друг с другом, пишет ScienceDaily.

Обычно фотоны контролируются и переводятся в квантовые состояния с помощью волноводов на микрочипах большой протяженности или за счет громоздких устройств, построенных из линз, зеркал и светоделителей. Благодаря феномену квантового спутывания фотоны позволяют одновременно передавать и обрабатывать большое количество квантовой информации, используя сложнейшие сети из оптических компонентов. Тем не менее подобные схемы чрезвычайно трудно масштабировать из-за сложности изготовления и недостатков многочисленных составляющих, нужных для реализации полноценных вычислительных процессов.

Возможна ли интеграция всех этих компонентов в один тонкий двумерный массив микроскопических элементов, способный управлять светом столь же эффективно, но с минимально возможным числом частей? На этот вопрос ответили эксперты по оптики из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS). Ученые разработали специальные метаповерхности — тонкие структуры с нанографическими элементами, позволяющие эффективно манипулировать потоком света. Эти устройства представляют собой однослойные аналоги традиционных объемных схем. Их использование обеспечивает значительное уменьшение размеров аппаратуры, необходимой для квантовых компьютеров и коммуникаций.

Эксперименты показали, что предложенная технология способна создавать сложные, запутанные состояния фотонов для выполнения квантовых операций, подобных тем, которые выполняются с помощью более крупных оптических устройств со множеством различных компонентов.

Для анализа сложной структуры запутанных состояний фотонов ученые воспользовались методами теории графов — раздела математики, использующего точки и линии для отображения отношений между объектами. Запутанность фотонов была представлена в виде графа, где вершины обозначали отдельные фотоны, а ребра символизировали связи между ними. Такой подход позволил наглядно показать взаимодействие фотонов и спрогнозировать их поведение в ходе экспериментов. Хотя теория графов активно применяется в области квантовых вычислений и исправления ошибок, ранее ее редко использовали для изучения конструкции и функционирования метаповерхностей.

По словам аспиранта и ведущего автора проекта Керолоса Юсефа, новая разработка решает проблему масштабирования технологий, позволяя интегрировать сложную оптику в одну компактную и надежную поверхность. Это значительно упрощает конструкцию квантовых систем и повышает стабильность их работы.

Ранее инженеры создали «нанооблако» с необычными свойствами. Рассказали, зачем оно нужно.