Des chercheurs de Harvard ont développé une métasurface capable de remplacer des composants optiques complexes dans informatique quantiquevisant à améliorer l’évolutivité, la stabilité et la compacité des réseaux quantiques. Cette innovation utilise la théorie des graphes pour simplifier la conception de métasurfaces quantiques, permettant la génération de photons intriqués et les opérations quantiques sur une seule puce ultra-mince. Les photons, en tant que particules lumineuses fondamentales, offrent des possibilités de transport d’informations dans les ordinateurs et réseaux quantiques. Les méthodes actuelles impliquent des guides d’ondes sur des micropuces ou des dispositifs optiques volumineux comme des lentilles et des séparateurs de faisceaux pour enchevêtrer les photons pour le traitement de l’information quantique. Cependant, la mise à l’échelle de ces systèmes présente des défis en raison du grand nombre de composants et de leurs imperfections. Des chercheurs en optique de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), dirigés par Federico Capasso, professeur de physique appliquée Robert L. Wallace, ont créé des métasurfaces spécialisées. Ces dispositifs plats, gravés de motifs à l’échelle nanométrique, agissent comme de fines améliorations pour les puces d’optique quantique. La recherche, financée par le Bureau de recherche scientifique de l’Air Force (AFOSR), a été publié en Sciences. L’équipe de Capasso a démontré qu’une métasurface pouvait générer des états de photons complexes et intriqués pour des opérations quantiques, reproduisant les fonctions de dispositifs optiques plus grands. « Nous introduisons un avantage technologique majeur lorsqu’il s’agit de résoudre le problème d’évolutivité », a déclaré Kerolos MA Yousef, étudiant diplômé et premier auteur. « Nous pouvons désormais miniaturiser une configuration optique entière en une seule métasurface très stable et robuste. » Les résultats indiquent que les dispositifs quantiques optiques pourraient être basés sur des métasurfaces résistantes aux erreurs au lieu de composants conventionnels. Les avantages incluent des conceptions plus simples sans alignements complexes, une robustesse aux perturbations, une rentabilité, une simplicité de fabrication et une faible perte optique. Cette approche facilite les capacités d’informatique quantique, de mise en réseau, de détection quantique et de « laboratoire sur puce » à température ambiante. Concevoir une métasurface pour contrôler des propriétés telles que la luminosité, la phase et la polarisation devient mathématiquement complexe à mesure que le nombre de photons et de qubits augmente. Chaque photon ajouté crée de nouvelles voies d’interférence, nécessitant traditionnellement un nombre croissant de séparateurs de faisceaux et de ports de sortie. Les chercheurs ont utilisé la théorie des graphes, une branche mathématique utilisant des points et des lignes pour représenter les connexions, pour gérer cette complexité. En représentant les états de photons intriqués sous forme de lignes et de points interconnectés, ils ont visualisé l’interférence des photons et prédit les effets expérimentaux. La théorie des graphes est courante dans certaines applications d’informatique quantique et de correction d’erreurs, mais pas généralement dans la conception de métasurfaces. L’article est le résultat d’une collaboration avec le laboratoire de Marko Loncar, qui a apporté son expertise et ses équipements en optique quantique et en photonique intégrée. Le chercheur Neal Sinclair a commenté : « Je suis enthousiasmé par cette approche, car elle pourrait faire évoluer efficacement les ordinateurs et les réseaux quantiques optiques, ce qui a longtemps été leur plus grand défi par rapport à d’autres plates-formes comme les supraconducteurs ou les atomes. » Sinclair a ajouté : « Cela offre également un nouvel aperçu de la compréhension, de la conception et de l’application des métasurfaces, en particulier pour générer et contrôler la lumière quantique. Avec l’approche graphique, d’une certaine manière, la conception des métasurfaces et l’état quantique optique deviennent les deux faces d’une même pièce. »
