超薄芯片革新量子计算技术

关键突破

• 新型研究表明超表面可作为强大的线性量子光学网络
• 该方法可消除对波导和其他传统光学元件的需求
• 图论有助于将量子光学网络功能设计到单个超表面中

技术详情

在实现实用量子计算机和网络的竞赛中，光子作为室温下快速信息载体展现出巨大潜力。传统上，光子通过扩展微芯片上的波导或由透镜、反射镜和分束器构成的笨重设备进行控制和量子态调控。光子通过这些光学元件的复杂网络实现纠缠，从而能够并行编码和处理量子信息。但由于需要进行有意义计算或联网所需的部件数量庞大且存在缺陷，这类系统难以扩展。

某机构的研究团队成功创建了专门设计的超表面——刻有纳米级光操纵图案的平面器件，可作为量子光学芯片和设置的超薄升级方案。这项研究发表在《科学》期刊上。

研究团队证明，超表面可以创建复杂的光子纠缠态来执行量子操作，就像使用具有许多不同组件的大型光学设备一样。

超表面：稳健且可扩展的量子光子处理器

研究结果暗示了范式转变的可能性：光学量子器件不再基于传统的、难以扩展的组件（如波导和分束器），甚至不再基于扩展的光学微芯片，而是基于具有诸多优势的抗误差超表面：不需要复杂对准的设计、对扰动的鲁棒性、成本效益、制造简单性和低光学损耗。

设计能够精细控制亮度、相位和偏振等特性的单个超表面面临独特挑战，因为一旦光子数量（也就是量子比特数量）开始增加，数学复杂性就会增加。每个额外的光子都会引入许多新的干涉路径，在传统设置中，这将需要快速增加的分束器和输出端口数量。

图论在超表面设计中的应用

为了应对这种复杂性，研究人员依靠称为图论的数学分支，该分支使用点和线来表示连接和关系。通过将纠缠光子态表示为许多连接的线和点，他们能够直观地确定光子如何相互干涉，并预测它们在实验中的效果。图论也用于某些类型的量子计算和量子纠错，但通常不考虑在超表面的背景下，包括其设计和操作。

这项研究得到了包括某机构在内的联邦资金支持，工作在某大学纳米系统中心进行。
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