I ricercatori di Harvard hanno sviluppato una metasuperficie in grado di sostituire componenti ottici complessi calcolo quantisticocon l’obiettivo di migliorare la scalabilità, la stabilità e la compattezza delle reti quantistiche. Questa innovazione utilizza la teoria dei grafi per semplificare la progettazione di metasuperfici quantistiche, consentendo la generazione di fotoni entangled e operazioni quantistiche su un singolo chip ultrasottile. I fotoni, in quanto particelle di luce fondamentali, offrono possibilità di trasporto di informazioni nei computer e nelle reti quantistiche. I metodi attuali prevedono guide d’onda su microchip o ingombranti dispositivi ottici come lenti e divisori di fascio per intrappolare i fotoni per l’elaborazione delle informazioni quantistiche. Tuttavia, il ridimensionamento di questi sistemi presenta sfide a causa dell’elevato numero di componenti e delle loro imperfezioni. I ricercatori di ottica della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), guidati da Robert L. Wallace, professore di fisica applicata, Federico Capasso, hanno creato metasuperfici specializzate. Questi dispositivi piatti, incisi con modelli su scala nanometrica, agiscono come sottili aggiornamenti per i chip ottici quantistici. La ricerca, finanziata dall’Ufficio per la ricerca scientifica dell’aeronautica militare (AFOSR), è stata pubblicato nella scienza. Il team di Capasso ha dimostrato che una metasuperficie potrebbe generare stati di fotoni complessi e entangled per operazioni quantistiche, replicando le funzioni di dispositivi ottici più grandi. “Stiamo introducendo un importante vantaggio tecnologico quando si tratta di risolvere il problema della scalabilità”, ha affermato lo studente laureato e primo autore Kerolos MA Yousef. “Ora possiamo miniaturizzare un’intera configurazione ottica in un’unica metasuperficie molto stabile e robusta.” I risultati indicano che i dispositivi quantistici ottici potrebbero essere basati su metasuperfici resistenti agli errori invece che su componenti convenzionali. I vantaggi includono progetti più semplici senza allineamenti complessi, robustezza alle perturbazioni, convenienza, semplicità di fabbricazione e bassa perdita ottica. Questo approccio favorisce l’elaborazione quantistica a temperatura ambiente, il networking, il rilevamento quantistico e le funzionalità “lab-on-a-chip”. Progettare una metasuperficie per controllare proprietà come luminosità, fase e polarizzazione diventa matematicamente complesso man mano che il numero di fotoni e qubit aumenta. Ogni fotone aggiunto crea nuovi percorsi di interferenza, che tradizionalmente richiedono un numero crescente di divisori di fascio e porte di uscita. Per gestire questa complessità, i ricercatori hanno utilizzato la teoria dei grafi, una branca della matematica che utilizza punti e linee per rappresentare le connessioni. Rappresentando gli stati di fotoni intrecciati come linee e punti interconnessi, hanno visualizzato l’interferenza dei fotoni e previsto gli effetti sperimentali. La teoria dei grafi è comune in alcune applicazioni di calcolo quantistico e di correzione degli errori, ma non tipicamente nella progettazione di metasuperfici. L’articolo è il risultato di una collaborazione con il laboratorio di Marko Loncar, che ha contribuito con competenze e attrezzature nel campo dell’ottica quantistica e della fotonica integrata. Il ricercatore Neal Sinclair ha commentato: “Sono entusiasta di questo approccio, perché potrebbe scalare in modo efficiente i computer e le reti quantistiche ottiche, che è stata a lungo la loro sfida più grande rispetto ad altre piattaforme come i superconduttori o gli atomi”. Sinclair ha aggiunto: “Offre anche nuove conoscenze sulla comprensione, progettazione e applicazione delle metasuperfici, in particolare per la generazione e il controllo della luce quantistica. Con l’approccio grafico, in un certo senso, la progettazione della metasuperficie e lo stato quantistico ottico diventano due facce della stessa medaglia.”
