В последние годы квантовые вычисления становятся одной из самых быстроразвивающихся и перспективных областей науки и технологии. Одним из ключевых вызовов в этой области является создание устойчивых и масштабируемых квантовых систем, способных выполнять сложные вычисления с высокой точностью и эффективностью. Особое внимание уделяется фотонным архитектурам, ведь фотоны обладают естественными преимуществами: они могут передавать квантовую информацию на большие расстояния и работать при комнатной температуре. Однако для реализации полноценных квантовых компьютеров необходимы надежные методы синтеза квантовых состояний, обеспечивающих стабильное кодирование кубитов и выполнение квантовых операций. В этой связи важным прорывом становится интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP), который предлагает уникальное решение для построения масштабируемых и исправляющих ошибки фотонных квантовых компьютеров.
Что такое кубиты Готтесмана–Китаева–Прескилла? Кубиты GKP представляют собой особый способ кодирования квантовой информации в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптического модуса. В отличие от традиционных квантовых битов, закодированных, например, в спинах или поляризации фотонов, GKP-код использует непрерывные переменные — квадратурные компоненты света. Такой подход позволяет реализовать определённый класс универсальных квантовых операций с высокой детерминированностью и устойчивостью, в том числе к обычным гауссовым шумам и потериям. Основное достоинство этого кодирования — возможность выполнения базовых квантовых логических операций, опираясь только на линейные оптические элементы, такие как сдвиги фаз, перемешиватели и гомодинное обнаружение. Проблема масштабирования и интеграции До недавнего времени эксперименты с генерацией оптических состояний GKP и других сложных негауссовых состояний реализовывались, как правило, в свободно-пространственных установках, используя громоздкие и тонко настроенные оптические компоненты.
Такие конфигурации оказались мало подходящими для масштабирования и интеграции, необходимых для создания полноценных квантовых компьютеров. Большие размеры, высокая чувствительность к внешним воздействиям и трудности в повторении однородных блоков поставили под вопрос практическую реализацию системы с многочисленными источниками квантовых состояний. Решением этих проблем стало использование интегрированных фотонных чипов, позволяющих объединить в одном компактном устройстве все необходимые компоненты для генерации, манипуляции и обнаружения квантовых состояний света. Основные преимущества интеграции заключаются в высокой стабильности, низких потерях, воспроизводимости и масштабируемости. Именно на этой базе был построен инновационный фотонный источник кубитов GKP, представленный в свежем исследовании, опубликованном в престижном научном журнале Nature.
Технология интегрированного фотонного источника GKP Уникальный чип, используемый в эксперименте, был изготовлен с помощью кастомизированного производства на 300-миллиметровых кремниево-нитридных подложках, специально оптимизированных для минимизации оптических потерь. В основе работы лежит резонантно усиленное спонтанное четырехволновое смешивание (SFWM), которое используется для генерации однополосных сжатых состояний света с высоким уровнем чистоты. Чип содержит четыре такие «сжимателя» — интегрированные микрокольцевые резонаторы, обладающие конструкцией фотонной молекулы. Эта конструкция позволяет эффективно подавлять паразитные нелинейные процессы, обеспечивая высокую избирательность и качество генерируемого света. Управление резонансами и поддержание стабильности достигается с помощью встроенных термооптических фазовых шифтеров, позволяющих точно настраивать оптические параметры генерации и последующего интерферометра.
После генерации сжатых состояний, они проходят через программируемую линейно-оптическую сеть из направленных ответвителей и фазовых сдвигов, формируя четырехрежимное запутанное состояние, оптимально спроектированное для выращивания кубитов GKP посредством зарегистрированного выявления фотонных чисел (heralding). Для регистрации фотонных событий используются сверхвысокочувствительные детекторы с разрешением по числу фотонов — переходные крайовые сенсоры (transition edge sensors), демонстрирующие максимальную эффективность регистрации, близкую к 99.9%. После подтверждения появления требуемого паттерна обнаружения фотонов на трёх режимах, оставшийся режим подвергается гомодинному детектированию для полного квантового томографирования и характеристики состояния. Полученные результаты и перспективы Экспериментальная реализация показала, что с помощью данного интегрированного источника можно генерировать приближённые к идеальным GKP-кубитам состояния с хорошо различимыми решётчатыми структурами и отрицательными регионов функции Вигнера — ключевого признака квантовой нелокальности и необходимого ресурса для универсальных квантовых вычислений.
При выбранном успешном паттерне регистрации (3,3,3) были получены состояния с четырьмя чёткими пиками в квазиимпульсных и фазовых квадратирах, что считается важнейшим признаком высокого качества кодов для исправления ошибок в квантовых вычислениях. Симметрический уровень эффективного сжатия указывал на перспективы достижения уровней, близких к порогу надёжной коррекции ошибок при дальнейших снижениях остаточных потерь в системе. Кроме того, эксперимент и сопровождающие симуляции показывают, что дальнейшее снижение потерь в интегрированном фотонном источнике позволит достичь порогов эффективности и качества состояния, необходимые для практической реализации систем с масштабируемой ошибкоустойчивостью и, следовательно, создания полноценных фотонных квантовых компьютеров. Особое значение уделяется перспективам интеграции множества таких источников в одном устройстве и взаимодействию между ними с помощью методов временного и частотного мультиплексирования, методов «размножения» и «очистки» состояний (breeding и refining), что позволит значительно повысить как качество, так и скорость генерации необходимых квантовых ресурсов. Вызовы и дальнейшие направления развития Несмотря на достижение важных этапов, остаются несколько технических задач, которые необходимо преодолеть для перехода от лабораторных экспериментов к практическим квантовым вычислительным системам.
Среди них — снижение оптических потерь до уровня менее 1%, интеграция всех компонентов на одном чипе с высокой степенью автоматизации, разработка надежных и компактных криогенных систем для работы детекторов, а также построение масштабируемой архитектуры взаимодействующих источников и элементов управления квантовой информацией. Кроме того, требуется дальнейшее исследование оптимальных схем кодирования и обработки информации с учетом конкретных физических ограничений устройств, что позволит максимально использовать преимущества GKP-кода и обеспечить защиту от ошибок, возникающих при передаче и обработке квантовых данных. Заключение Интегрированные фотонные источники кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла становятся ключевым элементом для построения масштабируемых и надежных фотонных квантовых компьютеров нового поколения. Соединение достижений в области микроэлектроники, материаловедения, нелинейной оптики и квантовой физики привело к созданию устройств, позволяющих эффективно генерировать высококачественные, негауссовые квантовые состояния, необходимые для реализации универсального квантового вычисления с исправлением ошибок. По мере дальнейшего совершенствования технологий интеграции, снижения потерь и повышения точности детектирования эти решения обещают изменить ландшафт квантовых вычислений, делая практическими идеи, ранее считавшиеся исключительно теоретическими.
Фотонные архитектуры с GKP-кодами открывают дверь к мощным, безопасным и масштабируемым квантовым системам, способным решать задачи, недоступные классическим компьютерам. В итоге, разработка интегрированного фотонного источника кубитов GKP — это значительный шаг вперед на пути к созданию мощных квантовых устройств, которые смогут реализовать потенциал квантовых технологий в вычислениях, связи и сенсорах, формируя будущее информационных технологий и науки в целом.
