Metapinnoista seuraava kvantti-informaation prosessori?

Käytännöllisten kvanttitietokoneiden ja -verkkojen kehittämisessä fotoneilla on kiehtovia mahdollisuuksia nopeina informaationkantajina huoneenlämmössä.

Fotoneja ohjataan ja houkutellaan tyypillisesti kvanttitiloihin aaltojohteilla laveilla mikrosiruilla tai kookkailla laitteilla, jotka on rakennettu linsseistä, peileistä ja säteenjakajista.

Fotonit voivat lomittua – mikä mahdollistaa niiden koodaamisen ja kvantti-informaation rinnakkaisen käsittelyn – näiden optisten komponenttien monimutkaisten verkkojen kautta.

Tällaisia järjestelmiä on kuitenkin tunnetusti vaikea skaalata, koska merkityksellisen laskennan tai verkottumisen suorittamiseen tarvittavien osien määrä ja epätäydellisyydet ovat suuria.

Voitaisiinko kaikki nämä optiset komponentit koota yhdeksi, litteäksi, erittäin ohueksi joukoksi aallonpituuden alapuolella olevia elementtejä, jotka ohjaavat valoa täsmälleen samalla tavalla, mutta paljon vähemmillä valmistetuilla osilla?

Harvardin John A. Paulsonin teknillisen ja sovelletun tieteen koulun (SEAS) optiikan tutkijat tekivät juuri niin. Federico Capasson johtama tutkimusryhmä loi erityisesti suunniteltuja metapintoja – litteitä rakenteita, joihin on syövytetty nanomittakaavan valoa manipuloivia kuvioita – toimimaan ultraohuina päivityksinä kvanttioptisille siruille ja kokoonpanoille.

Capasso ja hänen tiiminsä osoittivat, että metapinta voi luoda monimutkaisia, lomittuneita fotonien tiloja kvanttioperaatioiden suorittamiseksi – kuten ne, jotka tehdään suuremmilla optisilla laitteilla, joissa on monia eri komponentteja.

”Olemme tuomassa markkinoille merkittävän teknologisen edun skaalautuvuusongelman ratkaisemisessa”, sanoo jatko-opiskelija Kerolos MA Yousef. ”Nyt voimme pienentää koko optisen järjestelmän yhdeksi erittäin vakaaksi ja kestäväksi metapinnaksi.”

Heidän tuloksensa vihjaavat mahdollisuuteen, että paradigmaa muuttavia optisia kvanttilaitteita ei käytettäisi perinteisten vaan virheettömien metapintojen avulla.

Nämä laitteet tarjoavat useita etuja: malleja, jotka eivät vaadi monimutkaisia kohdistuksia, kestävyyttä häiriöille, kustannustehokkuutta, yksinkertaista valmistusta ja pientä optista häviötä.

Järjestyksen luomiseksi monimutkaisuuteen tutkijat nojasivat matemaattiseen graafi- eli verkkoteoriaan. Siinä käytetään pisteitä ja viivoja yhteyksien ja suhteiden esittämiseen.

Yleisesti ottaen työ ilmentää metapintoihin perustuvaa kvanttioptiikkaa, joka huoneenlämmössä toimivien kvanttitietokoneiden ja -verkkojen luomisen lisäksi voisi hyödyttää kvanttiantureissa tai tarjota "lab-on-a-chip" -ominaisuuksia perustieteelle.

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat loivat loogisen kvanttiprosessorin

Inteliltä kvanttiprosessori

Kvanttiprosessori puolijohdetekniikalla