該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的設(shè)計(jì)流程，用于管理多光子量子態(tài)的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算。

哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新方法，利用單一、扁平的光學(xué)器件進(jìn)行復(fù)雜的量子操作。

這種被稱為“超表面”（metasurface）的器件，能夠執(zhí)行多個傳統(tǒng)光學(xué)元件的功能，解決了基于光子的量子信息處理領(lǐng)域一個長期存在的技術(shù)難題。

“在邁向?qū)嵱昧孔佑?jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的競賽中，光子 —— 光的基本粒子 —— 作為室溫下的快速信息載體，蘊(yùn)含著誘人的潛力，”研究人員在新聞稿中表示。

然而，控制這些光子通常需要大量的分立元件，如透鏡、反射鏡和分束器。而糾纏光子（并行計(jì)算所必需的量子過程）則需要創(chuàng)建由這些部件組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

新聞稿解釋道：“由于進(jìn)行任何有意義的計(jì)算或網(wǎng)絡(luò)連接所需部件數(shù)量龐大且存在缺陷，此類系統(tǒng)的可擴(kuò)展性眾所周知非常困難?！?/p>

單一超表面替代復(fù)雜裝置

由費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）教授領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)出了一種單一的超表面來替代此類復(fù)雜裝置。

超表面是一種超薄的平面器件，其表面刻有小于光波長的納米級結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，精確操控光的特性，例如其相位和偏振。

“在解決可擴(kuò)展性問題方面，我們引入了一項(xiàng)重大的技術(shù)優(yōu)勢，”論文第一作者、研究生凱羅洛斯·M·A·優(yōu)素福（Kerolos M.A. Yousef）說，“現(xiàn)在我們可以將整個光學(xué)裝置小型化成一個非常穩(wěn)定且堅(jiān)固的單一超表面?！?/p>

開發(fā)新型設(shè)計(jì)流程

該團(tuán)隊(duì)工作的一個關(guān)鍵部分是開發(fā)了一種新的設(shè)計(jì)流程，以處理多光子量子態(tài)的數(shù)學(xué)復(fù)雜性。他們應(yīng)用了圖論（graph theory）這一數(shù)學(xué)領(lǐng)域，用于表示網(wǎng)絡(luò)中的連接關(guān)系。

在此背景下，圖的點(diǎn)和線被用來映射光子之間所需的干涉路徑。

然后，這個抽象的圖被轉(zhuǎn)化為超表面上納米級圖案的物理布局。

“通過圖論方法，在某種意義上，超表面設(shè)計(jì)和光學(xué)量子態(tài)成為了一枚硬幣的兩面，”研究科學(xué)家尼爾·辛克萊（Neal Sinclair）指出。這種方法為構(gòu)建產(chǎn)生特定復(fù)雜量子態(tài)所需的器件提供了系統(tǒng)化的途徑。

設(shè)計(jì)最小化光損耗

由此產(chǎn)生的超表面具有多項(xiàng)實(shí)際優(yōu)勢。其單片式設(shè)計(jì)本身比由許多獨(dú)立部件構(gòu)建的裝置更穩(wěn)定，更不易受環(huán)境擾動影響。

它采用半導(dǎo)體行業(yè)中常用的技術(shù)制造，為成本效益高且可重復(fù)的生產(chǎn)提供了一條途徑。此外，該設(shè)計(jì)最大限度地減少了光損耗，這是保持量子信息完整性的一個重要因素。

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可能超越量子計(jì)算。

新聞稿總結(jié)道：“這項(xiàng)工作體現(xiàn)了基于超表面的量子光學(xué)，它不僅為室溫量子計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)開辟了道路，還可能有益于量子傳感，或?yàn)榛A(chǔ)科學(xué)提供‘芯片實(shí)驗(yàn)室’（lab-on-a-chip）能力?！?/p>

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