Pesquisadores de Harvard desenvolveram uma metassuperfície capaz de substituir componentes ópticos complexos em computação quânticacom o objetivo de aumentar a escalabilidade, estabilidade e compactação das redes quânticas. Esta inovação utiliza a teoria dos grafos para simplificar o projeto de metassuperfícies quânticas, permitindo a geração de fótons emaranhados e operações quânticas em um único chip ultrafino. Os fótons, como partículas de luz fundamentais, oferecem possibilidades de transporte de informações em computadores e redes quânticas. Os métodos atuais envolvem guias de ondas em microchips ou dispositivos ópticos volumosos, como lentes e divisores de feixe, para emaranhar fótons para processamento de informações quânticas. No entanto, o dimensionamento destes sistemas apresenta desafios devido ao grande número de componentes e às suas imperfeições. Pesquisadores de óptica da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, liderados pelo professor de Física Aplicada Robert L. Wallace, Federico Capasso, criaram metassuperfícies especializadas. Esses dispositivos planos, gravados com padrões em nanoescala, atuam como atualizações finas para chips ópticos quânticos. A pesquisa, financiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR), foi publicado em Ciência. A equipe de Capasso demonstrou que uma metassuperfície poderia gerar estados de fótons complexos e emaranhados para operações quânticas, replicando funções de dispositivos ópticos maiores. “Estamos introduzindo uma grande vantagem tecnológica quando se trata de resolver o problema de escalabilidade”, afirmou o estudante de graduação e primeiro autor Kerolos MA Yousef. “Agora podemos miniaturizar toda uma configuração óptica em uma única metassuperfície que é muito estável e robusta.” Os resultados indicam que os dispositivos ópticos quânticos poderiam ser baseados em metassuperfícies resistentes a erros, em vez de componentes convencionais. As vantagens incluem projetos mais simples, sem alinhamentos complexos, robustez a perturbações, economia, simplicidade de fabricação e baixa perda óptica. Essa abordagem auxilia na computação quântica em temperatura ambiente, redes, detecção quântica e recursos de “laboratório em um chip”. Projetar uma metassuperfície para controlar propriedades como brilho, fase e polarização torna-se matematicamente complexo à medida que os números de fótons e qubits aumentam. Cada fóton adicionado cria novos caminhos de interferência, exigindo tradicionalmente um número crescente de divisores de feixe e portas de saída. Os pesquisadores empregaram a teoria dos grafos, um ramo matemático que utiliza pontos e linhas para representar conexões, para gerenciar essa complexidade. Ao representar estados de fótons emaranhados como linhas e pontos interconectados, eles visualizaram a interferência dos fótons e previram efeitos experimentais. A teoria dos grafos é comum em algumas aplicações de computação quântica e correção de erros, mas não normalmente em projetos de metassuperfícies. O artigo resultou de uma colaboração com o laboratório de Marko Loncar, que contribuiu com expertise e equipamentos em óptica quântica e fotônica integrada. O cientista pesquisador Neal Sinclair comentou: “Estou entusiasmado com esta abordagem, porque ela poderia dimensionar com eficiência computadores e redes quânticas ópticas – o que tem sido seu maior desafio em comparação com outras plataformas, como supercondutores ou átomos.” Sinclair acrescentou: “Ele também oferece novos insights sobre a compreensão, design e aplicação de metassuperfícies, especialmente para gerar e controlar luz quântica. Com a abordagem gráfica, de certa forma, o design de metassuperfícies e o estado quântico óptico tornam-se dois lados da mesma moeda. ”
