Фотонные квантовые вычисления остаются одним из наиболее перспективных направлений развития квантовых технологий, предлагая уникальные возможности для создания масштабируемых и высокопроизводительных вычислительных систем. В этом контексте интегрированный фотонный источник квантовых кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP) занимает особое место благодаря своим исключительным характеристикам, позволяющим не только повысить качество квантовых состояний, но и значительно упростить архитектуру будущих квантовых компьютеров. Квантовые биты или кубиты, основанные на кодах GKP, отличаются тем, что используют непрерывные переменные, связанные с квантовыми состояниями света, для кодирования цифровой информации. В отличие от традиционных квантовых систем, где кубиты реализуются на основе дискретных двухуровневых систем, GKP-квбиты используют фазовое пространство оптического режима, что обеспечивает большую устойчивость к ошибкам и возможность детерминированного осуществления универсального набора квантовых логических операций в условиях комнатной температуры. Одна из основных сложностей, стоящих на пути практического внедрения фотонных GKP-квбитов, связана с генерацией и манипулированием оптическими нелинейными состояниями с низкими потерями и высокой степенью чистоты.
Традиционные методы, использующие свободно распространяющиеся оптические компоненты, имеют ограничения в масштабируемости и надежности. Новаторский подход основан на интеграции всех необходимых элементарных операций на одном кремниево-нитридном фотонном чипе, изготовленном по технологии 300-мм ВФУ. Интегрированный фотонный источник GKP-квбитов разработан с использованием массива микро-резонаторов на базе фотонной молекулы, способных резонансно усиливать процесс спонтанного четырехволнового смешения (SFWM) и генерировать одиночные моды сильно сжатого вакуума с уровнем сжатия до 10 дБ. Такой уровень сжатия необходим для формирования базовых ресурсов квантовых состояний с высокими характеристиками. Управление фазами и интерферометрические операции реализуются на той же интегрированной платформе, что позволяет синтезировать сложные многомодовые запутанные состояния, которые, после индуцированного фотодетекторами с разрешением по количеству фотонов (PNR) выделения (герцельного механизма), обеспечивает генерацию прототипа GKP-квбитов.
Одним из ключевых достижений стало использование современных детекторов с переходной гранью (TES) с эффективностью обнаружения выше 99%, работающих при криогенных условиях. Их высокая чувствительность и разрешающая способность необходимы для точного селективного отбора состояний, приводящих к успешному формированию GKP-квбита. Суммарные потери на всем пути от генерации на чипе до регистрации сигнала минимизированы и составляют около 20%, что уже обеспечивает качество создаваемых квантовых состояний, расположенных на границе, необходимой для развития моделей с устойчивой квантовой ошибкой. Экспериментальная реализация показала, что полученные состояния обладают характерной решетчатой структурой отрицательных пиков функции Вигнера, что подтверждает наличие выраженной негативации квантового состояния, критически важной для универсальных квантовых вычислений. Обнаруживаются по меньшей мере четыре различимые пика в обеих квадраторах — позиции и импульса, что свидетельствует об исправлении ошибок на уровне, пригодном для дальнейшего улучшения и масштабирования.
Кроме того, за счет высокой интеграции и предсказуемости компонентов достигаются стабильные режимы работы с частотой повторения в сотни килогерц, что открывает дорогу к массовому производству и экспоненциальному увеличению числа одновременно функционирующих квантовых источников. Перспективы развития интегрированных фотонных источников GKP-квбитов тесно связаны с постоянным снижением оптических потерь, совершенствованием схем мультиплексирования и развитием алгоритмов «выращивания» и «очистки» квантовых состояний, способных повысить надежность и эффективность работы систем. Исследования подтверждают, что при достижении уровней суммарных потерь ниже одного процента возможно формирование квантовых состояний соответствующего уровня сжатия, необходимого для реализации квантовых вычислений с ошибками, укладывающимися в задаваемые пороги и обеспечивающими устойчивую работу квантовых машин. Применение GKP-квбитов выходит за рамки квантовых вычислений. Такие состояния являются важным ресурсом для квантовой связи, обеспечивая эффективные протоколы кодирования с высокой устойчивостью к шуму, и квантового сенсинга, позволяя повысить точность измерений до пределов, невозможных для классических систем.
Интегрированные фотонные платформы, обладающие высокой степенью масштабируемости, становятся основой для построения новых моделей распределенных квантовых сетей и обеспечения их устойчивой работы на больших расстояниях. Совокупность технологических достижений в области резонаторных фотонных структур, усовершенствованных фотодетекторов и высокоточного управления интерферометрическими операциями создает фундамент для внедрения масштабируемых фотонных квантовых платформ на базе GKP-кода. Важным фактором становится стандартизация и серийное производство фотонных чипов, что обеспечивает reproducibility и экономическую эффективность разработки новых квантовых устройств. Таким образом, интегрированный фотонный источник Gottesman–Kitaev–Preskill квантовых кубитов представляет собой ключевой этап на пути к практическому квантовому компьютеру с фотонной архитектурой. Он сочетает в себе высокую производительность, надежность и возможность масштабирования, что не только расширяет горизонты фундаментальных исследований в области квантовой оптики, но и открывает реальные перспективы создания рабочих квантовых систем нового поколения.
Эти достижения подтверждают перспективность фотонных квантовых компьютеров как конкурирующей технологии по сравнению с ионными или сверхпроводниковыми квантовыми платформами, предлагая преимущества в виде работы при комнатной температуре, высокой скорости и сетевой совместимости. Последующие исследования будут направлены на интеграцию множества таких источников, развитие гибких архитектур квантовых сетей и реализацию полнофункциональной кластерной квантовой вычислительной платформы. Интегрированные фотонные источники квантовых состояний Gottesman–Kitaev–Preskill сняли одно из главных технологических ограничений в области фотонных квантовых вычислений, упрочив фундамент для квантовой эры с высоким уровнем надежности, масштабируемости и универсальности решений. Их дальнейшее развитие и применение предопределят будущее квантовой индустрии, позволяя реализовать мощные квантовые алгоритмы и обеспечить новые возможности обработки информации на основе фотонных технологий.
