Развитие квантовых вычислений требует создания эффективных и устойчивых к ошибкам квантовых битов — кубитов. Одной из наиболее перспективных реализаций таких кубитов являются состояния Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), отличающиеся способностью к детерминистической реализации универсального набора квантовых операций при сохранении устойчивости к шумам и ошибкам. В отличие от традиционных подходов с отдельными фотонными состояниями, GKP-кубиты используют непрерывное параметрическое пространство оптических мод, что позволяет реализовать высокоуровневые методы коррекции ошибок и удобное взаимодействие с Gaussian-операциями, доступными при комнатной температуре. Однако одним из главных вызовов на пути к практическому применению GKP-кубитов является создание источников этих состояний с высокой степенью контроля, минимальными потерями и возможностью интеграции для масштабирования. Современные эксперименты в основном использовали системы с компонентами свободного пространства, что сильно усложняет их масштабирование и стабилизацию.
Недавние достижения в области интегрированной фотоники, в частности на основе кремний-нитридных (SiN) платформ, открывают новую эру в создании миниатюрных, высокоэффективных и стабильных источников квантовых состояний. Представлена платформа, где на 300-миллиметровых SiN-валах был реализован фотонный чип с ультранизкими потерями, что позволило генерировать GKP-кубиты с качеством, близким к требованиям к отказоустойчивым квантовым вычислениям. Основной принцип синтеза GKP-состояний на фотонном чипе основан на генерации четырех отдельных сжатых состояний света (squeezed states) и их последующем линейно-оптическом смешивании с помощью интерферометра. Такое преобразование, называемое Гауссовым бозонным сэмплированием (GBS), вкупе с точными измерениями чисел фотонов на трех выходах, позволяет селективно зафиксировать (герольдировать) на четвертом выходе кубит в виде GKP-состояния. Ключевая роль принадлежит высокоточным детекторам с разрешением на количество фотонов — детекторам переходного края (transition edge sensors), эффективность которых достигла практически 99.
9%. Благодаря высокому качеству детекции и низким потерям на каждом этапе создания и обработки света, получаемые состояния обладают четкими признаками, необходимыми для реализации квантовой ошибки коррекции. Использование интегрированных микрокольцев с архитектурой фотонной молекулы позволило резонансно усилить процесс спонтанного четырехфотонного смешивания, ответственного за генерацию сжатых состояний, при этом подавляя нежелательные паразитные нелинейные процессы. Установка использовала две лазерные линии для синхронной подачи импульсного возбуждения, тщательно регулируемого в частоте и фазе, что способствовало стабильности и управляемости испускаемых состояний. Применение ассиметричных и симметричных интерференционных фильтров на чипе обеспечило эффективное отделение сжатого света от возбуждающего лазера, что крайне важно для достижения высокого качества генерируемых состояний.
Экспериментальная установка при рабочей частоте 200 кГц успешно регистрировала многомиллиардные повторения процесса генерации с GKP-кубитами, что позволяло получать статистики с высокой точностью и проводить полное квантовое томографическое восстановление состояний. Особенность полученных состояний проявляется в структуре многопиковых распределений в квадратах положения и импульса, а также наличии решетчатой структуры с отрицательными регионами функции Вигнера, свидетельствующими о выраженной негласссовости. Для GKP-кубитов критически важно именно такое проявление, так как оно обеспечивает поддержку кодирующих стабилизаторов и защиту от ошибок. Помимо основного паттерна регистрации фотонов (3,3,3), который дает состояние с прямоугольной метрической решеткой, эксперименты показали возможность генерации различных других нечётных состояний, включая катовые состояния и GKP с гексагональной структурой. Это открывает перспективу использования одного чипа для генерации разнопрофильных и оптимальных квантовых состояний в зависимости от задачи и возможностей последующей обработки.
Важнейшим показателем качества полученных GKP-кубитов является эффективное сжатие по обоим квадраторам, что напрямую связано со способностью к коррекции ошибок в квантовом коде. Полученные значения ожидаемых стабилизаторов и эффективного сжатия в текущих экспериментах демонстрируют качество, превышающее возможное для простых когерентных состояний, что подтверждает уникальность достигнутого результата. При дальнейшем снижении оптических потерь, особенно на стадиях детекции и передачи, ожидается возможность выхода на пороговые уровни сжатия свыше 9.75 дБ, необходимых для практической реализации отказоустойчивых квантовых вычислений. Помимо экспериментальной составляющей, проведённые симуляции подтверждают, что текущая платформа способна поддерживать развитие в сторону архитектур с большим числом режимов и включением методов «очистки» и «умножения» состояний (breeding и multiplexing), которые позволят поднять вероятности успешного получения GKP-кубитов и повысить их качество.
Это фундаментально важно для построения полнофункциональных фотонных квантовых компьютеров на базе GKP-кодирования. Уникальность интегрированного подхода состоит не только в снижении потерь и увеличении стабильности, но и в возможности масштабирования. Использование передовых фабричных процессов полупроводникового производства на SiN-платформе дает возможность в будущем создавать массивы таких источников с миллионами независимых генераторов, что является обязательным условием для практической реализации полноразмерных квантовых вычислительных систем. Дополнительным техническим достижением является применение лазерных систем с частотной и фазовой стабилизацией через оптические частотные гребёнки, что обеспечивает долговременную стабильность и синхронность работы различных элементов установки. Это особенно ценно для генерации и измерения нелинейных, нечётных квантовых состояний, требующих высокой согласованности по времени и фазе.
Высокий уровень электрической интеграции, включая управление термооптическими фазовыми сдвигами и оптическими фильтрами на чипе, делает систему удобной для дальнейшей автоматизации и интеграции в комплексные квантовые модули. Использование детекторов на основе переходного края, работающих при криогенных температурах, с очень высокой эффективностью и разрешением по числу фотонов позволяет точно герольдировать нужные состояния и фильтровать шумовые события. Усовершенствования в микрооптическом сопряжении и упаковывании сделали эти детекторы более устойчивыми к световым ошибкам и электромагнитным помехам, обеспечивая стабильную работу в условиях интенсивного оптического обмена. Генерация GKP-кубитов на интегрированных фотонных чипах с такими характеристиками знаменует собой важный шаг на пути создания фотонных квантовых компьютеров, которые смогут функционировать при комнатной температуре и быть масштабируемыми в промышленных масштабах. В перспективе эти технологии могут найти применение не только в вычислениях, но и в квантовой связи и квантовом сенсинге, обеспечивая новые возможности для обработки информации и измерений.
Таким образом, интегрированные фотонные источники кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill на основе кремний-нитридных многослойных платформ с использованием высокоэффективных детекторов переходного края создают фундамент для развития отказоустойчивых, масштабируемых и технологичных квантовых устройств нового поколения. Эти достижения закладывают основу для будущего, в котором фотонные квантовые вычислительные системы станут реальностью, способной преобразовать целые индустрии и научные области.
