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據最新一期《科學》雜志報道，美國哈佛大學研究人員開發出一種新型光學器件，即“超表面”，可在單一的平面上完成復雜量子操作。超表面可同時承擔多種傳統光學元件功能，解決了光子量子信息處理領域長期存在的體積龐大、組件繁多等擴展性難題，有望推動常溫下量子計算和量子網絡的實現。
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，要將光子引導至所需的量子態，需要在大型芯片上布設復雜的波導結構，或使用由透鏡、反射鏡、分束器等構成的龐大裝置。這些組件使光子之間能夠實現糾纏，而糾纏正是量子信息并行傳輸與處理的關鍵機制。
然而，構建并維護這樣的復雜系統頗具挑戰，因為它們依賴大量精密易損的部件，難以擴展。如果大部分裝置可以被一個超薄的單一表面取代，使所需構件大大減少，而它操控光的方式卻絲毫不遜于傳統系統，會怎么樣？
此次，哈佛團隊開發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”，是指厚度達到納米級的光學元件，其表面布滿比光波波長還小的微納結構，能共同精準調控光的相位、偏振等屬性，相當于將傳統復雜的量子光學系統“濃縮”為一個微型平臺，大幅提升了系統的穩定性和抗干擾能力。
為實現這一設計，研究團隊還創新性地引入圖論這一數學工具，對多光子干涉路徑進行建模，再將這些抽象圖轉化為超表面上實際的納米結構布局。研究人員指出，這種方法將超表面設計與量子光學態緊密對應，仿佛是一枚硬幣的兩面，從而為構建特定量子態的器件提供了系統化路徑，拓展了量子研究與應用的可能性。
此外，該器件在實際應用中也表現出顯著優勢。其一體化設計大幅減少了光學損耗，這對保持量子信息的完整性至關重要。更重要的是，該裝置可通過現有半導體制造工藝批量生產，預示著未來有望實現低成本、可復制的量產模式。
研究人員指出，這項技術的潛力遠不止量子計算。基于超表面的量子光學系統不僅有望推動常溫量子計算機和通信網絡的發展，也可能在量子傳感、基礎科研等領域帶來“芯片實驗室”式的新工具。
來源：科技日報
