Καθώς η παγκόσμια κούρσα για την υλοποίηση πρακτικών εφαρμογών κβαντικής τεχνολογίας συνεχίζεται, μια ερευνητική ομάδα από το Harvard φέρνει την επανάσταση στον χώρο, αναπτύσσοντας ένα υπέρλεπτο τσιπ που θα μπορούσε να αλλάξει τα δεδομένα στην κβαντική πληροφορική.
Οι επιστήμονες παρουσίασαν μια καινοτόμο μεταεπιφάνεια, ένα επίπεδο οπτικό εξάρτημα με νανοδομές, η οποία έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει ογκώδη και περίπλοκα εξαρτήματα οπτικής, καθιστώντας τα κβαντικά κυκλώματα πιο συμπαγή, σταθερά και ευκολότερα στην κλιμάκωση.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science και χρηματοδοτήθηκε από την Air Force Office of Scientific Research, συνδυάζει θεωρητική φυσική με υψηλής ακρίβειας πειραματικές μεθόδους. Στο επίκεντρο του επιτεύγματος βρίσκεται η αξιοποίηση της γραφητικής θεωρίας (graph theory), που επέτρεψε την απλοποίηση του σχεδιασμού των κβαντικών μεταεπιφανειών. Χάρη σε αυτή την προσέγγιση, η ομάδα κατάφερε να παγιδεύσει φωτόνια σε καταστάσεις εμπλοκής και να εκτελέσει πολύπλοκες κβαντικές λειτουργίες, όλα σε ένα στρώμα υλικού λεπτότερο από μια ανθρώπινη τρίχα.
Η μεταεπιφάνεια λειτουργεί ως ένας γραμμικός, αλλά ισχυρός, κβαντικός οπτικός κόμβος, αντικαθιστώντας συμβατικά εξαρτήματα όπως κυματοδηγούς, φακούς, καθρέπτες και διαχωριστές δέσμης. Σε μια παραδοσιακή διάταξη, απαιτείται ένα σύμπλεγμα από τέτοια οπτικά στοιχεία για να επιτευχθεί η εμπλοκή φωτονίων, η βάση για την επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών. Αυτή η πολυπλοκότητα έχει σταθεί εμπόδιο στην ανάπτυξη σταθερών και μεγάλης κλίμακας κβαντικών δικτύων. Η νέα λύση του Harvard φιλοδοξεί να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο.
Η ομάδα του Federico Capasso σχεδίασε και κατασκεύασε αυτές τις μεταεπιφάνειες που μπορούν να διαχειρίζονται φωτόνια με απίστευτη ακρίβεια. Η λειτουργία τους βασίζεται σε μικροσκοπικά μοτίβα στην επιφάνεια του υλικού που μεταβάλλουν ιδιότητες του φωτός, όπως η φωτεινότητα, η φάση και η πόλωση.
Η πρόκληση ήταν τεράστια: κάθε επιπλέον φωτόνιο που εμπλέκεται σε μια κβαντική διαδικασία προσθέτει εκθετικά μεγαλύτερη πολυπλοκότητα, καθώς δημιουργεί νέες διαδρομές συμβολής που σε ένα συμβατικό κύκλωμα απαιτούν επιπλέον εξαρτήματα. Για να διαχειριστούν αυτή τη δυσκολία, οι ερευνητές κατέφυγαν στη γραφητική θεωρία, έναν κλάδο των μαθηματικών που μοντελοποιεί σύνθετες σχέσεις μέσω κόμβων και ακμών. Αντιπροσωπεύοντας τα φωτόνια και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις ως γραφήματα, μπόρεσαν να προβλέψουν τη συμπεριφορά τους και να βελτιστοποιήσουν τον σχεδιασμό της μεταεπιφάνειας.
Η συνεργασία με το εργαστήριο του Marko Loncar, ειδικού στην κβαντική οπτική και την ολοκληρωμένη φωτονική, υπήρξε καθοριστική, προσφέροντας τεχνογνωσία και προηγμένο εξοπλισμό για τις δοκιμές. Ο ερευνητής Neal Sinclair, σχολιάζοντας τα ευρήματα, εξέφρασε την αισιοδοξία του για την κατεύθυνση που ανοίγεται:
Αυτό το μοντέλο μπορεί να επιτρέψει την πραγματική κλιμάκωση των οπτικών κβαντικών υπολογιστών και δικτύων, κάτι που μέχρι τώρα φάνταζε δύσκολο συγκριτικά με άλλες πλατφόρμες όπως οι υπεραγωγοί ή τα άτομα. Παράλληλα, προσφέρει νέα προοπτική στον σχεδιασμό και τη χρήση των μεταεπιφανειών για τον έλεγχο του κβαντικού φωτός.
Η τεχνολογία αυτή δεν περιορίζεται μόνο στους κβαντικούς υπολογιστές. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε εφαρμογές όπως η κβαντική αισθητηριακή τεχνολογία, ή ακόμα και σε φορητές συσκευές πειραματικής φυσικής, τα λεγόμενα “εργαστήρια πάνω σε ένα τσιπ”. Με την απουσία περίπλοκης ευθυγράμμισης, το χαμηλό κόστος παραγωγής, τη σταθερότητα και την απλότητα στη χρήση, οι μεταεπιφάνειες αυτές υπόσχονται να μεταμορφώσουν τον τρόπο με τον οποίο κατασκευάζουμε και χειριζόμαστε κβαντικά κυκλώματα.
Με λίγα λόγια, η ερευνητική ομάδα του Harvard έκανε ένα τολμηρό βήμα προς το μέλλον της κβαντικής τεχνολογίας, προσφέροντας μια εντελώς νέα προσέγγιση στην επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών με τη βοήθεια του φωτός. Αν η τεχνολογία αυτή εξελιχθεί και εμπορικοποιηθεί, ενδέχεται να δούμε σε λίγα χρόνια πανίσχυρους κβαντικούς υπολογιστές και δίκτυα που θα λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, σε μέγεθος μικροτσίπ.
[via]
