據(jù)最新一期《科學(xué)》雜志報道，美國哈佛大學(xué)研究人員開發(fā)出一種新型光學(xué)器件，即“超表面”，可在單一的平面上完成復(fù)雜量子操作。超表面可同時承擔(dān)多種傳統(tǒng)光學(xué)元件功能，解決了光子量子信息處理領(lǐng)域長期存在的體積龐大、組件繁多等擴(kuò)展性難題，有望推動常溫下量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。

光子是光的基本粒子，具有高速、抗干擾的特性，正逐漸成為常溫下高速傳輸信息的有力候選者。通常，要將光子引導(dǎo)至所需的量子態(tài)，需要在大型芯片上布設(shè)復(fù)雜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，或使用由透鏡、反射鏡、分束器等構(gòu)成的龐大裝置。這些組件使光子之間能夠?qū)崿F(xiàn)糾纏，而糾纏正是量子信息并行傳輸與處理的關(guān)鍵機(jī)制。

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超表面上的量子（藝術(shù)概念圖）

然而，構(gòu)建并維護(hù)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)頗具挑戰(zhàn)，因為它們依賴大量精密易損的部件，難以擴(kuò)展。如果大部分裝置可以被一個超薄的單一表面取代，使所需構(gòu)件大大減少，而它操控光的方式卻絲毫不遜于傳統(tǒng)系統(tǒng)，會怎么樣？

此次，哈佛團(tuán)隊開發(fā)的超表面提供了一種集成化解決方案，有望徹底革新量子計算與量子通信。

所謂“超表面”，是指厚度達(dá)到納米級的光學(xué)元件，其表面布滿比光波波長還小的微納結(jié)構(gòu)，能共同精準(zhǔn)調(diào)控光的相位、偏振等屬性，相當(dāng)于將傳統(tǒng)復(fù)雜的量子光學(xué)系統(tǒng)“濃縮”為一個微型平臺，大幅提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

為實現(xiàn)這一設(shè)計，研究團(tuán)隊還創(chuàng)新性地引入圖論這一數(shù)學(xué)工具，對多光子干涉路徑進(jìn)行建模，再將這些抽象圖轉(zhuǎn)化為超表面上實際的納米結(jié)構(gòu)布局。研究人員指出，這種方法將超表面設(shè)計與量子光學(xué)態(tài)緊密對應(yīng)，仿佛是一枚硬幣的兩面，從而為構(gòu)建特定量子態(tài)的器件提供了系統(tǒng)化路徑，拓展了量子研究與應(yīng)用的可能性。

此外，該器件在實際應(yīng)用中也表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。其一體化設(shè)計大幅減少了光學(xué)損耗，這對保持量子信息的完整性至關(guān)重要。更重要的是，該裝置可通過現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝批量生產(chǎn)，預(yù)示著未來有望實現(xiàn)低成本、可復(fù)制的量產(chǎn)模式。

研究人員指出，這項技術(shù)的潛力遠(yuǎn)不止量子計算。基于超表面的量子光學(xué)系統(tǒng)不僅有望推動常溫量子計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，也可能在量子傳感、基礎(chǔ)科研等領(lǐng)域帶來“芯片實驗室”式的新工具。