Harvard-onderzoekers hebben een metasurface ontwikkeld dat complexe optische componenten kan vervangen kwantumcomputersmet als doel de schaalbaarheid, stabiliteit en compactheid van kwantumnetwerken te verbeteren. Deze innovatie maakt gebruik van grafentheorie om het ontwerp van kwantummetasurfaces te vereenvoudigen, waardoor verstrengelde fotongeneratie en kwantumbewerkingen op één enkele, ultradunne chip mogelijk worden. Fotonen bieden als fundamentele lichtdeeltjes mogelijkheden voor informatieoverdracht in kwantumcomputers en netwerken. De huidige methoden maken gebruik van golfgeleiders op microchips of omvangrijke optische apparaten zoals lenzen en bundelsplitsers om fotonen te verstrengelen voor de verwerking van kwantuminformatie. Het opschalen van deze systemen brengt echter uitdagingen met zich mee vanwege het grote aantal componenten en hun onvolkomenheden. Optica-onderzoekers aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), onder leiding van Robert L. Wallace, hoogleraar toegepaste natuurkunde, Federico Capasso, creëerden gespecialiseerde metasurfaces. Deze platte apparaten, geëtst met patronen op nanoschaal, fungeren als dunne upgrades voor kwantumoptische chips. Het onderzoek, gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), was dat wel gepubliceerd in de wetenschap. Het team van Capasso heeft aangetoond dat een metasurface complexe, verstrengelde fotontoestanden kan genereren voor kwantumoperaties, waarbij functies van grotere optische apparaten worden gerepliceerd. “We introduceren een groot technologisch voordeel als het gaat om het oplossen van het schaalbaarheidsprobleem”, aldus afgestudeerde student en eerste auteur Kerolos MA Yousef. “Nu kunnen we een volledige optische opstelling miniaturiseren tot één enkel metasurface dat zeer stabiel en robuust is.” De resultaten geven aan dat optische kwantumapparaten gebaseerd zouden kunnen zijn op foutbestendige metasurfaces in plaats van conventionele componenten. Voordelen zijn onder meer eenvoudiger ontwerpen zonder ingewikkelde uitlijningen, robuustheid tegen verstoringen, kosteneffectiviteit, eenvoud van fabricage en laag optisch verlies. Deze aanpak ondersteunt kwantumcomputing bij kamertemperatuur, netwerken, kwantumdetectie en ‘lab-on-a-chip’-mogelijkheden. Het ontwerpen van een metasurface om eigenschappen als helderheid, fase en polarisatie te controleren, wordt wiskundig complex naarmate het aantal fotonen en qubits toeneemt. Elk toegevoegd foton creëert nieuwe interferentiepaden, waarvoor traditioneel een groeiend aantal bundelsplitsers en uitgangspoorten nodig is. Onderzoekers gebruikten grafentheorie, een wiskundige tak die punten en lijnen gebruikt om verbindingen weer te geven, om deze complexiteit te beheersen. Door verstrengelde fotontoestanden voor te stellen als onderling verbonden lijnen en punten, visualiseerden ze fotoneninterferentie en voorspelden ze experimentele effecten. Grafentheorie is gebruikelijk in sommige toepassingen voor kwantumcomputers en foutcorrectie, maar doorgaans niet bij het ontwerpen van metasurfaces. Het artikel is het resultaat van een samenwerking met het laboratorium van Marko Loncar, dat expertise en apparatuur op het gebied van kwantumoptica en geïntegreerde fotonica heeft bijgedragen. Onderzoekswetenschapper Neal Sinclair merkte op: “Ik ben enthousiast over deze aanpak, omdat het optische kwantumcomputers en netwerken efficiënt kan schalen – wat lange tijd hun grootste uitdaging is geweest vergeleken met andere platforms zoals supergeleiders of atomen.” Sinclair voegde eraan toe: “Het biedt ook nieuw inzicht in het begrip, het ontwerp en de toepassing van metasurfaces, vooral voor het genereren en controleren van kwantumlicht. Met de grafiekbenadering worden metasurface-ontwerp en de optische kwantumtoestand in zekere zin twee kanten van dezelfde medaille.”
