哈佛刚刚将量子计算机崩溃到芯片上

哈佛工程师已经构建了一个芯片薄的超表面，取代了整个量子光学装置。

·         新研究表明，超表面可以作为量子光网络的强大构建块

·         这一突破可以用单个扁平设备取代波导、反射镜和分束器等笨重组件

·         研究人员使用图论直接在超表面上设计和控制复杂的量子行为

光子功率：对可扩展量子器件的追求

随着研究人员努力使量子计算机和网络更加实用，光子（构成光的基本粒子）正在成为快速移动信息的有希望的候选者，即使在室温下也是如此。通常，引导光子进入正确的量子态涉及大型微芯片上波导的复杂排列，或者用透镜、反射镜和分束器构建的笨重设置。这些组件允许光子纠缠在一起，这是一个关键的量子过程，使它们能够并行携带和处理信息。然而，构建和维护如此复杂的系统具有挑战性，因为它们依赖于大量精密部件，因此难以扩展。

如果所有这些组件都可以被一个以完全相同的方式纵光线的单一超薄表面所取代，同时使用更少的制造元件，会怎样？

哈佛大学在平面量子光学方面的突破

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一个研究小组就实现了这一目标。在罗伯特·华莱士应用物理学教授和文顿·海耶斯电气工程高级研究员费德里科·卡帕索的领导下，该小组开发了专门的超表面。这些平面设备刻有控制光的纳米级图案，可作为传统量子光学硬件的紧凑替代品。

该研究发表在《科学》杂志上，并获得了空军科学研究办公室（AFOSR）的资助。

简单扩展量子系统

该团队证明，超表面可以产生纠缠的光子态并执行复杂的量子运算——就像使用许多独立组件的大型光学系统一样。

“在解决可扩展性问题方面，我们引入了一项重大的技术优势，”研究生兼第一作者 Kerolos M.A. Yousef 说。“现在我们可以将整个光学装置小型化为一个非常稳定和坚固的单个超表面。”

为什么超表面会改变游戏规则

他们的结果暗示了范式转变光学量子器件的可能性，这些器件不是基于传统的、难以扩展的组件，如波导和分束器，甚至是扩展的光学微芯片，而是基于具有许多优势的抗错超表面：不需要复杂对准的设计、对扰动的鲁棒性、成本效益、制造简单性和低光损耗。从广义上讲，这项工作体现了基于超表面的量子光学，除了开辟通往室温量子计算机和网络的道路外，还可以使量子传感受益或为基础科学提供“芯片实验室”功能

设计一个可以精细控制亮度、相位和偏振等特性的单一超表面提出了独特的挑战，因为一旦光子数量开始增加，量子比特数量就会产生数学复杂性。每增加一个光子就会引入许多新的干扰路径，在传统设置中，这将需要快速增长的分束器和输出端口数量。

图论：秘密武器

为了使复杂性变得井井有条，研究人员依靠了称为图论的数学分支，它使用点和线来表示连接和关系。通过将纠缠的光子态表示为许多连接的线和点，他们能够直观地确定光子如何相互干扰，并在实验中预测它们的影响。图论还用于某些类型的量子计算和量子纠错，但通常不在超表面的背景下考虑，包括它们的设计和作。

光线和逻辑的统一设计

由此产生的论文是与 Marko Lončar 实验室合作的，他的团队专门研究量子光学和集成光子学，并提供了所需的专业知识和设备。

“我对这种方法感到兴奋，因为它可以有效地扩展光量子计算机和网络——与超导体或原子等其他平台相比，这长期以来一直是他们面临的最大挑战，”研究科学家尼尔·辛克莱说。“它还为超表面的理解、设计和应用提供了新的见解，特别是在产生和控制量子光方面。通过图方法，在某种程度上，超表面设计和光学量子态成为同一枚硬币的两面。