Metafelszínek: új lehetőségek a kvantum-fotonikus processzorokban
A kvantuminformatika és -hálózatok fejlesztésében a fotonok – vagyis a fény részecskéi – különösen ígéretesek, mert gyorsan és szobahőmérsékleten képesek információt továbbítani. Az eddigi módszerek viszont nagy, bonyolult rendszereket, lencséket, tükröket, féligáteresztő tükröket, hosszú hullámvezetőket és számos más alkatrészt igényeltek ahhoz, hogy összefonódott fotonokat hozzanak létre és kvantumállapotokat irányítsanak. Ezek a rendszerek azonban rosszul méretezhetők, mert minden további foton újabb optikai elemeket és kapcsolódási pontokat igényel, és nő a hibalehetőség is.
A Harvard mérnökei szakítottak a hagyományos szemlélettel: egyetlen, síkszerű, szubhullámhosszú elemekből álló chipre zsúfolták az összetett kvantumoptikai hálózatot. Ez a nanoskálás mintázatokkal maratott „metafelszín” nemcsak hogy helyettesíti az egész laboratóriumi felszerelést, de mindezt stabilabban és kevesebb hibával valósítja meg, ráadásul sokkal olcsóbban, egyszerűbb gyártással és kisebb optikai veszteséggel.
Gráfelméleti tervezés és a jövő kvantumchipjei
A kvantumlogikai műveleteknél minden további foton növeli az összefonódási mintázatok bonyolultságát, ami gyorsan átláthatatlan interferenciautakhoz vezethet. A kutatócsoport ezért a gráfelméletet hívta segítségül: a fotonállapotokat pontok és vonalak hálózataként, vizuálisan ábrázolták, így vált kezelhetővé és kiszámíthatóvá a sokdimenziós kölcsönhatás. Ez teljesen új szemléletet hozott a metafelszínek tervezésébe, ahol így egyszerre jelenik meg az optikai kvantumállapot és a chip szerkezete is.
A Harvard SEAS laboratóriuma és Marko Loncar kvantumfotonikai kutatócsoportjának együttműködéséből született meg az első ilyen „laboratórium egy chipen”, ahol minden kvantum-optikai művelet egyetlen lapkán kapott helyet. A fejlesztés nemcsak a kvantumszámítógép- és hálózatépítés legnagyobb akadályát hárítja el – vagyis a bonyolult és drága összeállításokat –, hanem új utat nyithat érzékeny kvantumméréstechnikai eszközök és miniatűr laboratóriumok (lab-on-a-chip) előtt is.
A kvantumszámítástechnika költségei és támogatása
A kutatást többek között amerikai szövetségi források, köztük az AFOSR mintegy 800 millió forintos (kb. 2,2 millió USD) támogatása tette lehetővé a Harvard Egyetem Nanoscale Systems központjában. Az új, kicsi és olcsón gyártható chipek várhatóan felgyorsítják a fotonalapú kvantumszámítógépek gyakorlati elterjedését, egyszerűsítik a kvantumhálózati rendszerek, érzékelők és tudományos alkalmazások megalkotását, és hozzájárulhatnak ahhoz, hogy a kvantumtechnológia ne csak laboratóriumokban, hanem a mindennapi életben, akár hétköznapi eszközökben is megjelenjen.
