В современном мире квантовых технологий поиск эффективных и масштабируемых способов реализации квантовых вычислений становится одной из ключевых задач научного сообщества. Одним из наиболее перспективных направлений является использование фотонных систем, которые обладают уникальными преимуществами, такими как высокая скорость передачи информации и возможность масштабирования в интегрированных платформах. Важнейшим элементом фотонных квантовых вычислений являются квантовые биты — кубиты, закодированные в оптических состояниях света. Среди множества вариантов кодирования особое внимание привлекают кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), представляющие собой состояние с непрерывным квантовым переменным, в котором содержится кодовый кубит. Такие состояния обладают выдающимися свойствами для реализации устойчивых к ошибкам квантовых вычислений и уникальными возможностями для построения универсальных наборов квантовых вентилей при помощи достаточно простых оптических операций, работающих при комнатной температуре.
Однако реализация компактного и надежного источника GKP-кубитов в оптическом диапазоне долгие годы оставалась одной из главных технологических проблем. Традиционно эксперименты создавали эти состояния с использованием свободно-пространственных оптических компонентов, которые плохо поддаются масштабированию из-за их габаритов, сложностей в настройке и необходимости точной стабилизации. Современный прорыв связан с разработкой интегрированной фотонной технологии, позволяющей на одном чипе генерировать, обрабатывать и измерять множество квантовых состояний света с минимальными потерями и высокой стабильностью. Новейшие исследования, проведенные на основе мультислойной платформы кремний-нитридных 300-миллиметровых пластин, демонстрируют ультранизкие оптические потери и функциональность, необходимую для создания и манипуляции одним из самых сложных оптических состояний — приближенных GKP состояний. В эксперименте реализована архитектура с четырьмя нелинейными источниками сжатого света, построенными на основе интегрированных микрокольцевых резонаторов с фотонными молекулярными структурами, что позволяет эффективно подавлять паразитные нелинейные эффекты и повышать качество получаемых квантовых состояний.
Высокопроизводительная герцоговая генерация сжатого света сопровождается тонкой фильтрацией и интерференцией, отличающейся низкими потерями, что обеспечивает поддержание квантовой когерентности и необходимый уровень многомодового сплетения для образования GKP-кодированных кубитов. Ключевым элементом синтеза квантового состояния является система герцовки по принципу gaussian boson sampling (GBS). Путем интерференции четырех сжатых мод и измерения выходных сигналов с помощью высокочувствительных детекторов с разрешением по количеству фотонов — переходных краевых сенсоров, восстанавливается состояние с требуемой структурой кубита GKP. Особая настройка параметров интерферометра и уровней сжатия позволяет добиваться вида состояния с ровно четырьмя выраженными пиками как в координатном, так и в импульсном квадратах, а также проявлением латтисной структуры с несколькими областями отрицательного вакуумного распределения Вигнера — явными признаками успеха эксперимента и важнейшими характеристиками для будущей масштабируемой квантовой обработки информации. Одним из впечатляющих достижений стало получение GKP-состояний с квадратной решёткой из 3 на 3 отрицательных регионов Вигнера, что не только подтверждает негауссовость таких состояний, необходимую для универсального квантового вычисления, но и демонстрирует структурированность, достаточную для построения протоколов исправления ошибок с высокой эффективностью.
Уровень эффективного сжатия, измеренный для данных состояний, близок к тому, что требуется для реализации устойчивости к ошибкам при применении квантовых кодов GKP. Техническое совершенство эксперимента подкреплено высокими показателями эффективности сигналов и низкими потерями на всех этапах: от генерации сжатых состояний и направления их через интегрированную схему до измерения с помощью герцоговых детекторов. Для герцовки использовалась подсистема лазеров, обеспечивающая стабильные частотные и фазовые связи, а упаковка чипа была выполнена с применением волоконных массивов и электронных соединений для термооптических фазовых сдвигов и программных настроек интерферометра. Применение переходных краевых сенсоров с эффективностью до 99.9% позволило реализовать точное измерение по количеству фотонов, что критично для фильтрации требуемых состояний и повышения чистоты генерируемых кубитов.
Разработанный подход открывает потенциал для масштабирования: интегрированная платформа обеспечивает возможность создания миллионов независимых источников GKP кубитов на одной пластине с высокой воспроизводимостью и стабильностью. Важным шагом является уменьшение оптических потерь ниже 1%, что сделает возможной генерацию квантовых состояний GKP с качеством, достаточным для практического применения в масштабных квантовых вычислительных машинах с архитектурой, основанной на фотонных кластерах и кодах GKP. В контексте устойчивости к ошибкам, GKP-кодирование обладает рядом уникальных преимуществ. Оно позволяет реализовать клиффордские квантовые гейты посредством детерминированных гауссовых операций, таких как линейная интерференция и гомодинные измерения, при этом не требуя криогенных условий для большинства компонентов, в отличие от традиционных квантовых вычислительных платформ. Для получения универсального набора квантовых вентилей используются подготовленные так называемые «магические» состояния, что является менее ресурсозатратным, если кубиты изначально обладают высококачественной структурой.
Еще одной важной составляющей экспертного исследования стала всесторонняя томография и реконструкция состояния, выполненная с помощью максимального правдоподобия, без компенсации потерь, что подчеркивает высокую экспериментальную точность и достоверность описанных результатов. Генерируемые состояния не только демонстрируют необходимые для исправления ошибок признаки (четыре пиковых пика, латтис с отрицательными регионами), но и превосходят по уровню сохранения стабилизаторов самые лучшие из приемлемых гауссовых состояний. Помимо вычислительных приложений, такие фотонные GKP-состояния представляют заинтересованность в области квантовой телекоммуникации и квантового сенсинга. Их устойчивость к гауссовым ошибкам и потенциал для масштабируемой интеграции открывают возможности для построения надежных систем передачи информации с повышенной защитой от потерь и других помех света, а также для прецизионных измерений с квантовым преимуществом. Будущие перспективы развития базируются на дальнейшей оптимизации фотонных интегрированных платформ, снижении технологических потерь, повышении числа и качества герцоговых каналов и детекторов, а также реализации новых методов многорежимной подготовки и сжатия квантовых состояний.
Совместное применение техник «деления» и «размножения» квантовых состояний позволит дополнительно повысить вероятность успешного получения квантовых кубитов, расширить диапазон вариантов кодирования и адаптировать устройства под различные требуемые формы кодов с учетом индивидуальных особенностей будущих квантовых алгоритмов. Таким образом, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill — это прорыв в области фотонных квантовых технологий, который открывает путь к созданию масштабируемых, устойчивых и высокопродуктивных квантовых вычислительных систем. Подход сочетает в себе лучшие достижения материаловедения, фотоники, квантовой оптики и современной микроэлектроники, создавая возможные для промышленного производства решения. Внедрение таких источников в инфраструктуру квантовых компьютеров потенциально способно значительно ускорить развитие области и приблизить этап реализации коммерчески доступных квантовых вычислительных устройств, обладающих преимуществом перед классическими системами.
