超表面或成為下一代量子信息處理器
在邁向?qū)嵱没孔佑嬎銠C(jī)與量子網(wǎng)絡(luò)的競賽中，光子作為光的基本粒子，憑借其室溫環(huán)境下高速傳輸信息的特性展現(xiàn)出巨大潛力。 i7h!,vaK
傳統(tǒng)方法依賴微芯片上的波導(dǎo)或由透鏡、反射鏡、分束器構(gòu)成的龐大設(shè)備來調(diào)控光子量子態(tài)。這些光學(xué)元件通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)使光子發(fā)生糾纏，從而實(shí)現(xiàn)量子信息的并行編碼與處理。但此類系統(tǒng)因所需元件數(shù)量龐大且存在制造缺陷，其規(guī)模化擴(kuò)展一直被視為業(yè)界難題。 8l( _{Y5(-
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超表面量子圖的藝術(shù)圖 y8T %g(
能否用單個超薄亞波長結(jié)構(gòu)平面陣列替代傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)？哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊給出了肯定答案。應(yīng)用物理學(xué)教授Federico Capasso帶領(lǐng)團(tuán)隊設(shè)計出具有納米級光操控圖案的超表面器件，為量子光學(xué)芯片與系統(tǒng)提供了革命性的輕薄替代方案。該成果發(fā)表于《科學(xué)》期刊。 <0,c{e
研究證明，超表面可生成復(fù)雜的光子糾纏態(tài)執(zhí)行量子操作，其功能與多組件大型光學(xué)設(shè)備相當(dāng)。論文第一作者Kerolos M.A. Yousef表示："這項技術(shù)為解決可擴(kuò)展性問題帶來重大突破，現(xiàn)在我們將整套光學(xué)系統(tǒng)微型化為單個超穩(wěn)定、高魯棒性的超表面。"
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Federico Capasso 和 Kerolos M. A. Yousef 及其實(shí)驗裝置 d! 0p^!3
超表面：強(qiáng)健的可擴(kuò)展量子光子處理器 JTu^p]os?
該研究揭示了范式轉(zhuǎn)移的可能性：未來量子光學(xué)器件或不再依賴難以擴(kuò)展的波導(dǎo)、分束器等傳統(tǒng)元件，轉(zhuǎn)而采用抗干擾、低成本、易加工、低光損的超表面技術(shù)。除推動室溫量子計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)發(fā)展外，這項超表面量子光學(xué)技術(shù)還可應(yīng)用于量子傳感領(lǐng)域，或為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供"芯片實(shí)驗室"解決方案。 +bwSu)k
設(shè)計能精確調(diào)控亮度、相位、偏振等參數(shù)的超表面面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)——隨著光子數(shù)（即量子比特數(shù)）增加，數(shù)學(xué)復(fù)雜度呈指數(shù)級增長。傳統(tǒng)方案中，每增加一個光子就需要大量分束器與輸出端口來應(yīng)對新產(chǎn)生的干涉路徑。 5&5
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圖論賦能超表面設(shè)計 3nVdws
研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地運(yùn)用圖論這一數(shù)學(xué)分支，用點(diǎn)線連接關(guān)系直觀呈現(xiàn)光子糾纏態(tài)與干涉效應(yīng)。這種將超表面設(shè)計與量子光學(xué)態(tài)統(tǒng)一研究的思路屬學(xué)界首創(chuàng)。該研究得到Marko Loncar實(shí)驗室支持，其團(tuán)隊在量子光學(xué)與集成光子學(xué)領(lǐng)域的專長為實(shí)驗提供了關(guān)鍵支撐。 =]r<xON%S
研究員Neal Sinclair指出："這種方法有望高效擴(kuò)展光量子計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，解決其相對于超導(dǎo)、原子平臺的最大發(fā)展瓶頸，圖論方法為超表面的理解、設(shè)計及應(yīng)用開辟了新視角，使器件設(shè)計與量子光態(tài)調(diào)控形成辯證統(tǒng)一。" ;q:.&dak1
相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/science.adw8404
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