Investigadores de Harvard han desarrollado una metasuperficie capaz de sustituir componentes ópticos complejos en computación cuánticacon el objetivo de mejorar la escalabilidad, la estabilidad y la compacidad de las redes cuánticas. Esta innovación utiliza la teoría de grafos para simplificar el diseño de metasuperficies cuánticas, permitiendo la generación de fotones entrelazados y operaciones cuánticas en un único chip ultradelgado. Los fotones, como partículas de luz fundamentales, ofrecen posibilidades para transportar información en redes y ordenadores cuánticos. Los métodos actuales implican guías de ondas en microchips o dispositivos ópticos voluminosos como lentes y divisores de haz para entrelazar fotones para el procesamiento de información cuántica. Sin embargo, ampliar estos sistemas presenta desafíos debido a la gran cantidad de componentes y sus imperfecciones. Investigadores de óptica de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, dirigidos por el profesor de Física Aplicada Robert L. Wallace, Federico Capasso, crearon metasuperficies especializadas. Estos dispositivos planos, grabados con patrones a nanoescala, actúan como mejoras delgadas para chips ópticos cuánticos. La investigación, financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR), fue publicado en Ciencias. El equipo de Capasso demostró que una metasuperficie podría generar estados de fotones complejos y entrelazados para operaciones cuánticas, replicando funciones de dispositivos ópticos más grandes. «Estamos introduciendo una importante ventaja tecnológica cuando se trata de resolver el problema de la escalabilidad», afirmó el estudiante de posgrado y primer autor Kerolos MA Yousef. «Ahora podemos miniaturizar una configuración óptica completa en una única metasuperficie que sea muy estable y robusta». Los resultados indican que los dispositivos cuánticos ópticos podrían basarse en metasuperficies resistentes a errores en lugar de componentes convencionales. Las ventajas incluyen diseños más simples sin alineaciones complejas, robustez a las perturbaciones, rentabilidad, simplicidad de fabricación y baja pérdida óptica. Este enfoque favorece la computación cuántica a temperatura ambiente, la creación de redes, la detección cuántica y las capacidades de «laboratorio en un chip». Diseñar una metasuperficie para controlar propiedades como el brillo, la fase y la polarización se vuelve matemáticamente complejo a medida que aumenta el número de fotones y qubits. Cada fotón añadido crea nuevas vías de interferencia, que tradicionalmente requieren un número creciente de divisores de haz y puertos de salida. Los investigadores emplearon la teoría de grafos, una rama matemática que utiliza puntos y líneas para representar conexiones, para gestionar esta complejidad. Al representar los estados de los fotones entrelazados como líneas y puntos interconectados, visualizaron la interferencia de los fotones y predijeron efectos experimentales. La teoría de grafos es común en algunas aplicaciones de corrección de errores y computación cuántica, pero no típicamente en el diseño de metasuperficies. El artículo fue el resultado de una colaboración con el laboratorio de Marko Loncar, que aportó experiencia y equipos en óptica cuántica y fotónica integrada. El científico investigador Neal Sinclair comentó: «Estoy entusiasmado con este enfoque, porque podría escalar de manera eficiente computadoras y redes cuánticas ópticas, lo que ha sido durante mucho tiempo su mayor desafío en comparación con otras plataformas como los superconductores o los átomos». Sinclair añadió: «También ofrece nuevos conocimientos sobre la comprensión, el diseño y la aplicación de metasuperficies, especialmente para generar y controlar la luz cuántica. Con el enfoque gráfico, en cierto modo, el diseño de metasuperficies y el estado cuántico óptico se convierten en dos caras de la misma moneda».
