哈佛大学单片超薄芯片突破，扫清量子计算障碍

热门资讯 2025年07月28日 11:47 1 admin

该团队开发了一种新的设计流程，用于管理多光子量子态的复杂数学运算。

哈佛大学的研究人员开发了一种新方法，利用单一、扁平的光学器件进行复杂的量子操作。

这种被称为“超表面”（metasurface）的器件，能够执行多个传统光学元件的功能，解决了基于光子的量子信息处理领域一个长期存在的技术难题。

“在迈向实用量子计算机和网络的竞赛中，光子 —— 光的基本粒子 —— 作为室温下的快速信息载体，蕴含着诱人的潜力，”研究人员在新闻稿中表示。

然而，控制这些光子通常需要大量的分立元件，如透镜、反射镜和分束器。而纠缠光子（并行计算所必需的量子过程）则需要创建由这些部件组成的复杂网络。

新闻稿解释道：“由于进行任何有意义的计算或网络连接所需部件数量庞大且存在缺陷，此类系统的可扩展性众所周知非常困难。”

单一超表面替代复杂装置

由费德里科·卡帕索（Federico Capasso）教授领导的哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）研究团队，设计出了一种单一的超表面来替代此类复杂装置。

超表面是一种超薄的平面器件，其表面刻有小于光波长的纳米级结构。这些结构协同工作，精确操控光的特性，例如其相位和偏振。

“在解决可扩展性问题方面，我们引入了一项重大的技术优势，”论文第一作者、研究生凯罗洛斯·M·A·优素福（Kerolos M.A. Yousef）说，“现在我们可以将整个光学装置小型化成一个非常稳定且坚固的单一超表面。”

开发新型设计流程

该团队工作的一个关键部分是开发了一种新的设计流程，以处理多光子量子态的数学复杂性。他们应用了图论（graph theory）这一数学领域，用于表示网络中的连接关系。

在此背景下，图的点和线被用来映射光子之间所需的干涉路径。

然后，这个抽象的图被转化为超表面上纳米级图案的物理布局。

“通过图论方法，在某种意义上，超表面设计和光学量子态成为了一枚硬币的两面，”研究科学家尼尔·辛克莱（Neal Sinclair）指出。这种方法为构建产生特定复杂量子态所需的器件提供了系统化的途径。

设计最小化光损耗

由此产生的超表面具有多项实际优势。其单片式设计本身比由许多独立部件构建的装置更稳定，更不易受环境扰动影响。

它采用半导体行业中常用的技术制造，为成本效益高且可重复的生产提供了一条途径。此外，该设计最大限度地减少了光损耗，这是保持量子信息完整性的一个重要因素。

这项技术的应用可能超越量子计算。

新闻稿总结道：“这项工作体现了基于超表面的量子光学，它不仅为室温量子计算机和网络开辟了道路，还可能有益于量子传感，或为基础科学提供‘芯片实验室’（lab-on-a-chip）能力。”

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