Квантовая обработка информации, основанная на запутывании множества фотонов, сталкивается с фундаментальными сложностями: традиционные методы либо недостаточно эффективны для большого числа частиц, либо требуют громоздких оптических систем, подверженных потерям и помехам.

Учёные из Пекинского университета, Южного университета науки и технологий и Университета науки и технологий Китая предложили инновационное решение, способное кардинально упростить процесс.

Исследователи разработали метод генерации многофотонной запутанности с использованием метаповерхностей — ультратонких структур, управляющих фазой, частотой и поляризацией света на наноуровне. В отличие от классических подходов, новая технология позволяет создавать запутанные состояния сразу на одной поверхности, устраняя необходимость в сложных системах линз, зеркал и делителей пучка.

Эксперимент заключался в направлении нескольких одиночных фотонов под разными углами на градиентную метаповерхность со специально рассчитанной архитектурой. Взаимодействуя с наноструктурами, фотоны подвергались квантовой интерференции, что приводило к их запутыванию.

Этот подход не только генерирует разнотипные запутанные состояния (включая GHZ- и W-состояния), но и позволяет объединять несколько пар частиц в более крупные группы, увеличивая информационную ёмкость системы.

«Это как найти короткий путь в лабиринте, — поясняет профессор Ин Гу, ведущий автор исследования. — Вместо сборки сложных оптических схем мы используем единственную метаповерхность, которая выполняет всю работу. Процесс становится компактнее, а управление фотонами — проще. Это идеальная платформа для миниатюрных квантовых устройств, которые можно разместить на чипе».

Технология открывает перспективы для квантовых коммуникаций и вычислений. Например, метаповерхности смогут распределять запутанные фотоны между множеством пользователей, формируя основу для квантовых сетей. Кроме того, масштабируемость позволяет работать с десятками и сотнями фотонов, что критично для создания портативных квантовых компьютеров, сопоставимых по размерам с ноутбуками.

Упрощение генерации запутанности — ключевой шаг к практическому внедрению квантовых технологий. Хотя до коммерциализации результатов потребуются дополнительные исследования, работа команды демонстрирует, как нанофотоника может преодолеть ограничения классической оптики, приближая эру компактных и мощных квантовых систем.