Как «сжать» квантовый компьютер? Одна метаповерхность заменит целую научную лабораторию

Представьте себе лабораторию будущего. В ней рождается технология, способная изменить мир, — квантовый компьютер. Но вместо изящных, футуристичных консолей, которые рисует воображение, мы видим огромный стол, загроможденный лабиринтом из зеркал, линз, призм и светоделителей. Каждый элемент нужно с ювелирной точностью выставить относительно других, и вся эта хрупкая конструкция дрожит от малейшего дуновения. Именно так сегодня часто выглядят попытки «приручить» свет для квантовых вычислений.

Это не просто неэстетично. Это — главный тупик на пути к созданию мощных и практичных квантовых систем. Но что, если весь этот громоздкий оптический стол можно было бы сжать до размеров одной тонкой пластинки? Недавно команда исследователей из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона показала, что это не фантастика, а уже осязаемая реальность.

Почему именно фотоны? И в чём их главная слабость?

В гонке за квантовое превосходство учёные делают ставки на разные «носители» информации, от сверхпроводящих цепей до одиночных атомов в магнитных ловушках. У каждой платформы свои плюсы и минусы. Фотоны, частицы света, — одни из самых многообещающих кандидатов.

Почему? Во-первых, они невероятно быстры — быстрее не бывает. Во-вторых, что крайне важно, они прекрасно работают при комнатной температуре. Им не нужны громоздкие и дорогие криогенные установки, охлаждающие систему почти до абсолютного нуля, как, например, сверхпроводниковым кубитам.

Однако у этого элегантного подхода есть ахиллесова пята: управление. Чтобы заставить фотоны выполнять квантовые операции — например, «запутать» их, создав мистическую связь, при которой состояние одного мгновенно влияет на состояние другого, — нужно пропускать их через сложную сеть оптических элементов. Каждый новый фотон (а значит, и новый кубит) в системе экспоненциально усложняет эту схему. Ваша установка начинает напоминать гигантскую машину Руба Голдберга, где малейшее смещение одного зеркальца рушит всю логику вычислений.

Именно эта проблема масштабирования долгое время считалась главным препятствием для фотонной квантовой фотоники.

Метаповерхность: оптика, нарисованная на наноуровне

И вот здесь на сцену выходит элегантное решение, предложенное группой под руководством профессора Федерико Капассо. Это — метаповерхность.

Что это такое? Проще говоря, это плоская, ультратонкая пластинка (например, из кремния), на поверхность которой нанесены крошечные узоры, сравнимые по размеру с длиной волны света. Эти наноструктуры работают как мириады микроскопических антенн. Проходя через них, свет меняет свои свойства — фазу, поляризацию, направление — именно так, как это запрограммировали создатели. По сути, вся сложная функция громоздкого набора линз и зеркал «зашита» в геометрию узора на одной-единственной плоскости.

Идея метаповерхностей не нова, но команда Капассо впервые применила её для решения одной из самых сложных задач — создания и управления сложными квантовыми состояниями света. Они создали чип, который делает то же, что и целый оптический стол: он берёт фотоны и запутывает их строго определённым образом, выполняя ключевую квантовую операцию.

И знаете, в чём прелесть? Эта пластинка монолитна. Её не нужно настраивать, она не боится вибраций, а её производство потенциально гораздо дешевле и проще. Как метко выразился один из авторов, Керолос Юсеф, теперь можно «миниатюризировать целую оптическую установку».

Неожиданный союз: как теория графов помогла «приручить» фотоны

Но как спроектировать такой сложный узор? Как рассчитать, какая именно наноструктура заставит четыре, восемь или шестнадцать фотонов запутаться нужным образом, ведь количество их возможных взаимодействий растёт лавинообразно?

Здесь исследователи применили совершенно нетривиальный подход, позаимствовав инструмент из чистой математики — теорию графов. Эта теория описывает связи между объектами с помощью точек (вершин) и соединяющих их линий (рёбер). Оказалось, что любое сложное запутанное состояние фотонов можно представить в виде такого графа, где каждая точка — это фотон, а линии между ними — их квантовые связи.

Этот визуальный язык позволил превратить хаос в порядок. Учёные смогли «нарисовать» желаемое квантовое состояние в виде графа, а затем, используя эту схему как чертёж, разработать соответствующий рисунок на метаповерхности. Как сказал научный сотрудник Нил Синклер, «проектирование метаповерхности и квантовое оптическое состояние становятся, в некотором смысле, двумя сторонами одной медали». Это гениальное по своей простоте открытие связывает абстрактную математику с практической нанофотоникой.

Что дальше? От компьютеров до лабораторий на чипе

Это исследование — больше, чем просто очередной шаг в квантовой гонке. Оно открывает дорогу к совершенно новому классу устройств. Надёжные, дешёвые и компактные метаповерхности могут стать основой не только для масштабируемых квантовых компьютеров и защищённых сетей квантовой связи.

Подумайте о высокоточных квантовых сенсорах, способных улавливать мельчайшие гравитационные поля или химические следы. А что насчёт «лабораторий-на-чипе»? Это миниатюрные устройства, которые смогут проводить сложные научные эксперименты в полевых условиях, без необходимости тащить с собой громоздкое оборудование.

Возможно, будущее высоких технологий заключается не в создании всё более крупных и сложных мегамашин, а в искусстве сворачивать сложность в изящные и эффективные миниатюрные решения. И эта тонкая пластинка, покрытая невидимым глазу узором, — яркое тому подтверждение. Она показывает, как фундаментальная наука, от оптики до чистой математики, способна элегантно решать самые насущные технологические проблемы.