Физики из Колумбийского университета представили революционную платформу для квантовых технологий — массивы оптических пинцетов, созданные с помощью голографических метаповерхностей. Исследователям удалось не только захватить более 1000 отдельных атомов стронция в конфигурации произвольной формы, но и продемонстрировать принципиальную возможность создания решетки из 360 000 ловушек на одном чипе. Это достижение преодолевает главные барьеры масштабируемости, открывая дорогу к созданию мощных квантовых симуляторов.

Иллюстрации из исследования метаповерхностных оптических пинцетов. a) Принцип работы голографической метаповерхности. b) Фото подложки с шестью метаповерхностями, сканирующая электронная микрофотография и структура мета-атомов. c) Диаграмма энергетических уровней атома стронция-88. d) Схема экспериментальной установки для захвата и визуализации атомов.
Иллюстрации из исследования метаповерхностных оптических пинцетов. a) Принцип работы голографической метаповерхности. b) Фото подложки с шестью метаповерхностями, сканирующая электронная микрофотография и структура мета-атомов. c) Диаграмма энергетических уровней атома стронция-88. d) Схема экспериментальной установки для захвата и визуализации атомов.

Предел классической оптики

Квантовые вычисления и симуляции требуют управления огромным количеством кубитов. Одной из самых перспективных платформ для этого являются массивы нейтральных атомов, удерживаемых светом — так называемые оптические пинцеты.

Однако существующие методы создания таких ловушек, основанные на акустооптических дефлекторах (AOD) и пространственных модуляторах света (SLM), подходят к своему технологическому пределу. Эти системы громоздки, требуют сложной юстировки и ограничены энергетически: с их помощью трудно создать стабильные массивы более чем на 10 000 атомов. Для полноценных квантовых вычислений с коррекцией ошибок требуются системы совершенно иного масштаба.

Метаповерхности: лаборатория на чипе

Решением проблемы стали метаповерхности. Группа ученых заменила сложные линзы и зеркала на компактные плоские чипы, усеянные миллионами наностолбиков из диоксида титана (TiO₂) и обогащенного кремнием нитрида кремния (SRN).

Эти наноструктуры работают как миниатюрные антенны: они с субволновой точностью преобразуют падающий лазерный луч, фокусируя его в тысячи изолированных точек. Фактически, один крошечный чип выполняет работу целой оптической лаборатории, создавая высокоапертурные ловушки с исключительной точностью.

Иллюстрация и микрофотографии метаповерхностей из нитрида кремния (SRN). a) Схема CMOS-совместимого процесса изготовления в чистой комнате. b) Изображения под сканирующим электронным микроскопом демонстрируют высокое качество структур: минимум дефектов и чистые боковые стенки.
Иллюстрация и микрофотографии метаповерхностей из нитрида кремния (SRN). a) Схема CMOS-совместимого процесса изготовления в чистой комнате. b) Изображения под сканирующим электронным микроскопом демонстрируют высокое качество структур: минимум дефектов и чистые боковые стенки.

Статуя Свободы из атомов стронция

В ходе эксперимента физики продемонстрировали возможности новой технологии, создав атомные массивы самой разной геометрии. Им удалось захватить атомы стронция, выстроив их в форме:

  • Сложных квазикристаллов Пенроуза;

  • Квадратных и треугольных решеток;

  • И даже в форме Статуи Свободы.

Главным достижением стала не только красота форм, но и качество исполнения. Ловушки показали высокую однородность: отклонения в глубине потенциальных ям составили менее 4–7,5%, что критически важно для надежного удержания квантовой информации.

Более того, на чипе диаметром всего 3,5 мм ученые смогли спроектировать массив из 360 000 ловушек. Хотя в рамках текущего эксперимента заполнить их все атомами не удалось, это доказывает, что технология готова к радикальному масштабированию.

Четыре примера захвата атомов стронция в массивах оптических пинцетов, сформированных метаповерхностью. Каждое изображение — усреднение 100 снимков. Слева направо: паттерн «Статуя Свободы» (183 ловушки, расстояние 3 мкм), квазикристалл Пенроуза (225 ловушек, 4 мкм), квадратная решётка (1024 ловушки, 2,5 мкм) и кольцевой паттерн (16 ловушек, 1,45 мкм).
Четыре примера захвата атомов стронция в массивах оптических пинцетов, сформированных метаповерхностью. Каждое изображение — усреднение 100 снимков. Слева направо: паттерн «Статуя Свободы» (183 ловушки, расстояние 3 мкм), квазикристалл Пенроуза (225 ловушек, 4 мкм), квадратная решётка (1024 ловушки, 2,5 мкм) и кольцевой паттерн (16 ловушек, 1,45 мкм).

Взгляд в будущее

Использование метаповерхностей открывает новые горизонты для квантовой индустрии. Технология позволяет производить оптические чипы методами стандартной литографии, аналогично тому, как печатаются современные компьютерные процессоры. Это означает потенциальное снижение стоимости и возможность массового производства.

Несмотря на то, что нынешние метаповерхности создают статичную сетку ловушек (их нельзя перемещать в реальном времени), их колоссальная емкость компенсирует этот недостаток. В будущем такие чипы могут стать основой для квантовых компьютеров с миллионами кубитов, необходимых для решения сложнейших задач химии, материаловедения и криптографии.

Три иллюстрации метаповерхности для оптических пинцетов. a) Фото метаповерхности 2,32 × 2,32 мм рядом с монетой в 1 цент США для масштаба. b) Профиль падающего ла��ерного пучка диаметром 1,5 мм. c) Дальнеполевое изображение недифрагированного света после точной юстировки — этот диагностический снимок подтверждает правильное оптическое выравнивание.
Три иллюстрации метаповерхности для оптических пинцетов. a) Фото метаповерхности 2,32 × 2,32 мм рядом с монетой в 1 цент США для масштаба. b) Профиль падающего лазерного пучка диаметром 1,5 мм. c) Дальнеполевое изображение недифрагированного света после точной юстировки — этот диагностический снимок подтверждает правильное оптическое выравнивание.