Квантовые вычисления в последние годы стали одной из наиболее перспективных направлений науки и технологий, способных радикально изменить способы обработки информации. Ключевой задачей при создании практичных квантовых компьютеров является стабильное и масштабируемое кодирование квантовой информации, которое позволяет эффективно создавать, хранить и манипулировать квбитами — квантовыми аналогами битов привычных компьютеров. Одним из наиболее перспективных способов реализации квбитов в оптических системах являются состояния Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP), предлагающие уникальные преимущества в плане универсальности и совместимости с линейно-оптическими операциями при комнатной температуре. Новая технология интегрированного фотонного источника GKP-квбитов открывает двери для создания практических, масштабируемых и отказоустойчивых квантовых вычислительных систем на базе фотонных платформ. Традиционные методы генерации оптических кубитов обычно основаны на использовании свободно распространяющихся оптических компонентов, таких как зеркала, линзы и волноводы в классических оптических установках.
Несмотря на высокую точность и качество таких систем, они оказываются сложно масштабируемыми и очень чувствительными к внешним воздействиям, что ограничивает их применение в будущих мощных квантовых сетях. Прорыв произошёл с внедрением интегрированных фотонных чипов, позволяющих реализовывать сложные оптические схемы на микроскопическом уровне с повышенной стабильностью, эффективности и возможностями массового производства, схожими с микроэлектроникой. Новейшие исследования, проведённые на основе интегрированных фотонных микросхем из нитрида кремния, продемонстрировали успешный синтез и гидрирование GKP-состояний на длинах волн, близких к телекоммуникационным стандартам, что гарантирует совместимость с существующими оптическими сетями и технологиями. Использование многоуровневой структуры оснастки чипа и оптимизированных резонаторных систем позволило достичь высокого качества сжатия света (squeezing) и сформировать четырехмодовое мультиспектральное состояние, которое после измерения с помощью детекторов с разрешением численности фотонов (PNR) даёт возможность надёжного герлания GKP-квбитов. Важным усилением стало применение переходных краевых сенсоров (transition edge sensors) с эффективностью выше 99%, обеспечивающих высочайшую точность детектирования фотонов для промышленного масштабирования.
Одной из существенных особенностей GKP-состояний является их определённая структура в фазовом пространстве, представленная множеством резких пиков в координатах положения и импульса, что предполагает устойчивость к шуму и ошибкам, присущим реальным системам. Измерения, проведённые на интегрированном фотонном чипе, показали наличие по крайней мере четырёх разрешимых пиков в каждой из этих квадраут, а также характерные отрицательные области функции Вигнера, сигнализирующие о достоверной негибридной природе искусственно созданных состояний. Таким образом, удалось получить прямое подтверждение наличия ключевых свойств, необходимых для реализации отказоустойчивых квантовых операций. В основе метода лежит принцип генерации четырёх одиночных сжатых состояний света, последующего их интерферирования в линейно-оптической схеме, что ведёт к запутыванию мод и формированию многомодового состояния. Измерения трех из этих мод с помощью PNR-детекторов функционируют как геральды, подтверждающие присутствие искомого GKP-состояния в оставшейся моде.
При этом управление параметрами чипа, такими как уровни сжатия, настройки интерферометра и критерии отбора событий детекторов, позволяет существенно влиять на качество и структуру генерируемых кубитов. Ключевым этапом эксперимента являлось precise стабилизация лазерных источников, фазовых задержек и температурных режимов, обеспечивающих высокую повторяемость и надёжность генерации квбитов. Лазерная подсистема была сформирована на основе частотно-связанных лазеров, которые синхронизируются с помощью оптических фазовых контуров с малой флуктуацией фазы. Пульсовое возбуждение позволило повысить скорость эксперимента до 200 килогерц, при одновременном сохранении качественных характеристик состояний. Фотонно-интегрированный чип, выполненный из нитрида кремния, создан высокого качества с минимальными потерями распространения, что крайне важно для сохранения квантовых свойств зонтов света.
Резонаторы с фотонным молекулярным дизайном обеспечили эффективное усиление нелинейного взаимодействия, необходимого для генерации сжатых состояний, при этом значительно подавляя паразитные процессы, которые могут внести нежелательные шумы в систему. Оптические фильтры, реализованные на основе асимметричных интерферометров, эффективно отделяли полезные сигналы от следов возбуждающего лазера и управляющих импульсов. Детекторная подсистема с численным разрешением обеспечивала регистрацию точных чисел фотонов в геральдных модах, что позволило проводить разбор сложных многомодовых квантовых состояний и получать их точную томографическую реконструкцию. Высокая квантовая эффективность и стабильность детекторов значительно повысили соотношение сигнал/шум и способствовали накоплению огромного объёма экспериментальных данных — более 12 миллиардов повторений с полным сбором распределений квадраур. Обработка полученных данных с помощью методов максимального правдоподобия позволила реконструировать плотностные матрицы генерируемых состояний без дополнительной компенсации потерь, обеспечивая прозрачную оценку их чистоты и когерентности.
При этом измерены параметры стабилизаторов GKP-состояний, которые служат индикаторами качества кодирования и способности к подаче квантовых операций с защитой от ошибок. Значения эффективного сжатия достигли уровня свыше 0,6 дБ с частными значениями по квадраурам, что свидетельствует о возможности дальнейшего улучшения покрытия квантовых ошибок при снижении потерь. Данный подход всё ещё требует дальнейшего развития для достижения порогов, необходимых для полноценной отказоустойчивой квантовой обработки — предполагается, что при уменьшении оптических потерь в системе ниже одного процента можно выйти на уровни эффективного сжатия свыше 9 дБ, что соответствует критерию надёжной кодовой защиты. Для этого предусмотрены решения по совершенствованию технологического процесса чипа, включающие улучшение материалов, оптимизацию организации микрофоточности и интеграцию дополнительных этапов мультиплексирования и поколений состояний методом «breeding». Эти методы перспективно позволят повысить как качество, так и вероятность успешной генерации полезных кубитов.
Новые возможности интеграции фотонных компонентов и развития высокоэффективных детекторов в криогенных условиях раскрывают также пути к реалистичным масштабным модулям, которые при объединении смогут формировать полноценные архитектуры фотонных квантовых компьютеров. Одним из ключевых преимуществ подхода на основе GKP-моделирования является возможность реализации универсального набора квантовых логических операций простыми линейно-оптическими преобразованиями и гомодинными измерениями без необходимости в сложных нелинейных взаимодействиях, тем самым значительно упрощая аппаратную реализацию. Подобные интегрированные фотонные источники кубитов находят применение не только в вычислениях, но и в квантовой связи, сенсорах и метрологических установках, где высокая чувствительность и устойчивость к шуму позволяют значительно повысить точность измерений и надёжность передачи информации. Оптические GKP-состояния при своей универсальности могут быть оптимизированы для квантового ретранслятора или элементов квантовых сетей следующего поколения. Таким образом, интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла представляют собой важный шаг на пути создания полнофункциональных и масштабируемых фотонных квантовых систем.
Совместимость с существующими технологиями, высокая стабильность, низкие потери и возможность масштабного производства делают данный подход одним из ведущих кандидатов для реализации практических квантовых вычислений поколения нового времени. По мере дальнейшего снижения потерь и развития технологий мультиплексирования, можно ожидать появления на рынке серьезных промышленных решений, способных вывести квантовые вычисления на уровень, сопоставимый с современными классическими компьютерами, а также открывающих новые горизонты в обработке и защите информации.
