В современном мире квантовые технологии стремительно развиваются, открывая новые горизонты в обработке информации, коммуникациях и научных исследованиях. Одним из ключевых направлений является фотонная квантовая информатика, где свет выступает носителем квантовой информации. Не менее важным этапом на пути к практическим квантовым вычислениям стала разработка надежных и масштабируемых источников кубитов, устойчивых к ошибкам и совместимых с масштабными архитектурами. В этой связи выделяется интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), обеспечивающий создание высококачественных квантовых состояний с уникальными свойствами, востребованными для реализации защищённых, отказоустойчивых квантовых процессоров. Квантовые кубиты GKP представляют собой квантовые состояния, которые кодируют информацию в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптического осциллятора.
Это позволяет использовать уникальные преимущества — например, возможность реализации универсального набора квантовых логических операций с помощью детерминированных гауссовских преобразований, таких как фазовые сдвиги, элементы линейной оптики и гомодинное обнаружение, которые работают при комнатной температуре. Ключевое отличие GKP-кубитов — их высокая устойчивость к гауссовским ошибкам, среди которых особо важны потери света и деформация квантовых состояний. Это превращает их в перспективный фундамент для построения надежных квантовых архитектур. До недавнего времени успешные эксперименты по созданию GKP-состояний были ограничены лишь отдельными платформами, такими как ионные ловушки и сверхпроводящие цепи, где масштабирование и интеграция представляют значительные трудности. Запуск интегрированных фотонных источников именно для создания GKP-кубитов стал прорывом, позволившим соединить потенциал фотоники с высокой степенью интеграции и промышленного производства.
Основой эксперимента по генерации GKP-кубитов, реализованного учеными, стала специально разработанная многослойная платформа на базе кремнийнитридных волноводов, позволяющая снизить потери света до крайне низких уровней. Этот уровень низких потерь — важнейший фактор, который зачастую ограничивает качество и долговечность квантовых состояний в оптических системах. Для производства прибора использовалась 300-миллиметровая кремнийнитридная технологическая подложка, что соответствует современным стандартам микроэлектронного производства и обеспечивает перспективы масштабного и промышленного изготовления компонентов. Генерация GKP-состояний базируется на принципе использования нежных нелинейных процессов, таких как спонтанное четыре-фотонное взаимодействие (SFWM) в интегрированных микрорезонаторах. Для повышения эффективности и качества производства лучей сжатого вакуума применена архитектура из четырёх модулей, создающих одиночные сжатые состояния, затем объединённых с помощью линейных интерферометрических цепей.
Основа успеха — синхронизация и программирование параметров интерферометра таким образом, чтобы при измерении трех из четырёх оптических мод выделялись искомые GKP-состояния в четвертом моде. Применение детекторов с разрешением по числу фотонов (PNR) — ковариантных сверхнизкотемпературных датчиков на базе перехода в сверхпроводящее состояние — позволило не только отслеживать точные количества фотонов, но и с высокой эффективностью (до 99,8 %) «герлелировать» появление нужных состояний. Такой подход к генерации кубитов назван четырёхмодовым источником гауссовского бозонного сэмплинга (GBS), что подразумевает комбинацию сжатых состояний с помощью высокоточных линейных оптических элементов и последующее условное отслеживание фотонных событий. В ходе эксперимента при работе с PNR-шаблонами в форме (3, 3, 3) была достигнута генерация GKP-состояний с характерными признаками для реализации отказоустойчивого кода: по крайней мере четыре различимых пиковой структуры как в координатном, так и в импульсном квадратах, наряду с отчетливой негативной решеточной структурой функции Вигнера, которая в квантовой оптике показывает наличие чисто квантовых свойств и ресурсы для универсального квантового вычисления. Выделяется также гибкость подхода: помимо однотипных шаблонов измерений (3,3,3) успешно готовились и другие сложные небелковые состояния, включая когерентные суперкоты и GKP-состояния с гексагональными решётками, расширяя спектр доступных квантовых кодов и показывая потенциал масштабирования и адаптации под различные архитектурные требования.
Именно возможность программирования параметров интерферометра и управления режимами сжатия обеспечивает универсальность метода. Отдельной важной новацией в работе является использование интегрированных на чипе полосовых фильтров типа Mach–Zehnder, позволяющих эффективно отделять сгенерированные квантовые сигналы от исходного насосного излучения и минимизировать паразитные шумовые процессы. Это критично для поддержания высокой чистоты квантовых состояний. Весь комплекс — от лазерных импульсов с точной длительностью (около 0,5 наносекунд) и частотой 200 кГц до герметично упакованных фотонных чипов и сверхчувствительных детекторов — синхронизирован для достижения максимальной стабильности и воспроизводимости результатов. Квантовая томография, проведенная с использованием гомодинного детектирования с 32 различными фазовыми настройками, позволила воссоздать плотностные матрицы полученных состояний и оценить ключевые показатели качества, включая ожидаемые значения стабилизаторов, эффективную степень сжатия (в децибелах) и показатели отрицательной решетчатой функции Вигнера.
Результаты демонстрируют, что даже при существующих потерях (передача порядка 78–82 %) созданы состояния достаточно высокого качества, чтобы указывать на возможность дальнейшего совершенствования и достижение порогов, необходимых для реализации практических, масштабируемых квантовых вычислительных систем. Анализ перспектив работы и возможностей улучшения связан с дальнейшим сокращением оптических потерь в системах от генерации световых состояний до этапов детектирования. Моделирования показывают, что при повышении общей эффективности каналов передачи фотонов выше 99 % можно достигать уровней сжатия и стабилизаторов выше 9,75 дБ, что является критерием для fault-tolerant вычислений — способных корректировать ошибки на лету и работать с продолжительными всевозможными дерективными шумами. Текущая архитектура четырехмодового GBS-устройства нацелена на демонстрацию функциональной генерации, однако в будущем большее внимание будет уделено более компактным устройствам с двумя или тремя модами, что позволит интегрировать возможности мультиплексирования и «выращивания» состояний (breeding), значительно повышая вероятность успешного получения кубитов и уменьшая требования к оптическим потерям. Подобная гибкость и модульность критична для построения сложных кластерных состояний, которые являются основой измерительно-управляемых квантовых вычислений.
В научном и технологическом контексте достижение интеграции источников GKP-кубитов с высокоэффективными датчиками и управление параметрами состояний через программируемые интерферометры является значимым этапом на пути создания фотонных квантовых компьютеров, способных работать при комнатной температуре и с масштабируемостью, отвечающей требованиям промышленного производства. Это также открывает двери для улучшения коммуникационных сетей нового поколения, базирующихся на защищённых квантовых каналах, устойчивых квантовых сенсоров и других инновационных приложений. Таким образом, объединение новейших достижений в материалах, микрообработке, лазерных технологиях и квантовой оптике привело к созданию интегрированного фотонного источника кубитов Готсманна–Китая–Прескилла с характеристиками, отвечающими ключевым требованиям fault-tolerant квантовой архитектуры. Продолжающийся прогресс в снижении оптических потерь, повышении стабильности и расширении функциональности устройств и систем несомненно приближает будущее, в котором фотонные квантовые компьютеры станут реальностью, способной трансформировать вычислительные технологии, телекоммуникации и научные исследования.
