В последние годы область квантовых вычислений совершила значительный рывок, превратив теоретические конструкции в реальные устройства. Одним из самых перспективных направлений в этой сфере является фотонная квантовая вычислительная архитектура. Фотонные системы обладают рядом уникальных преимуществ – они работают при комнатной температуре, имеют высокую степени устойчивости к шуму и легко масштабируются благодаря развитию интегрированных оптических технологий. Но построение практического, устойчивого к ошибкам квантового компьютера требует надежных способов генерации и манипуляции квантовыми состояниями света, которые могут кодировать квбиты – основные единицы квантовой информации. В этой связи особое внимание привлекает кодирование, основанное на состояниях Готтесмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP).
Эти состояния обладают уникальными свойствами, которые делают возможным эффективное и детерминированное выполнение универсального набора квантовых логических операций с использованием только гауссовых преобразований. Однако исторически существующие методы генерации GKP-состояний оптических мод опирались на громоздкие свободно-пространственные оптические компоненты, что значительно ограничивало их масштабируемость и практическую применимость. Современное решение этой проблемы связано с интеграцией всех необходимых оптических элементов на единую компактную фотонную платформу, что гарантирует уменьшение потерь, повышение стабильности и легкость тиражирования устройств. Недавно разработанный интегрированный фотонный источник для генерации кубитов GKP в оптическом диапазоне, построенный на специализированной кремний-нитридной 300-мм подложке, демонстрирует именно такой подход. Ключ к успеху этого устройства скрыт в сочетании ультранизких оптических потерь, хорошо оптимизированных нелинейных фотонных резонаторов и высокоэффективных детекторов с разрешением по числу фотонов.
Использование интегрированных микрокольцевых резонаторов, дизайном «фотонной молекулы», позволяет не только повысить коэффициент нелинейности, необходимый для генерации сжатых состояний, но и эффективно подавить паразитные нелинейные процессы, что раньше являлось серьезным препятствием. Колоссальное внимание в конструкции уделяется оптимизации каждого шага оптического тракта. Входные лазерные импульсы аккуратно формируются и стабилизируются с помощью нескольких лазеров и системы обратной связи, обеспечивающей фазовую синхронизацию и контроль резонансных условий. На площадке чипа происходит генерация четырёх режимов сжатого вакуума посредством резонансного многосвязного фотонного взаимодействия при помощи люминесцентного сцепления. Сформированные сжатые состояния затем проходят через программируемый линейно-оптический интерферометр, который необходим для создания сложной многочастичной запутанности, а выходные три режима герольдятся с помощью сверхвысокочувствительных детекторов с разрешением по числу фотонов (transition edge sensors).
При определённых шаблонах детектирования срабатывает герольдированное формирование кубитовых состояний GKP в оставшемся четвертом режиме. По результатам эксперимента были измерены квазиклассические функции Гвиделя, продемонстрированы ключевые особенности, свойственные GKP-состояниям, включая наличие четырех разрешимых пиков по обеим квадраторам положения и импульса, а также отчетливую структуру с сеткой отрицательных областей функции Вигнера. Последнее указывает на высокую степень нелинейности и квантовости генерируемых состояний, без которых невозможна универсальность квантовых вычислений. Кроме того, достигнутый уровень эффективного сжатия, несмотря на текущие оптические потери, свидетельствует о перспективности масштабирования данной технологии для построения полноценных систем с квантовой устойчивостью к ошибкам. Технология интегрированных фотонных источников GKP-состояний преодолевает ряд ограничений традиционных схем.
Использование свободно-пространственных компонентов при больших масштабах ведет к увеличению оптических потерь, ухудшению стабильности и сложности эксплуатации. Интегрированные же решения сводят эти проблемы к минимуму, позволяя реализовывать сотни тысяч и даже миллионы идентичных источников на единой кремниевой подложке, что крайне важно для практических квантовых вычислительных архитектур. Кубиты GKP, будучи кодированными в непрерывных переменных квантовой оптики, позволяют также детерминированно реализовывать операции Клиффорда с использованием лишь гауссовых элементов – оптических фазосдвигателей, шин и гомодинных детекторов, что упрощает конструкцию квантового процессора и снижает нагрузку на аппаратные ресурсы. Для реализации полноценных универсальных алгоритмов необходима подготовка так называемых «волшебных» состояний, которые в фотонных системах могут быть сформированы с помощью подобных герольдированных схем. Еще одной значимой задачей на пути к масштабируемому фотонному квантовому компьютеру является улучшение коэффициентов передачи и снижение потерь в каждом оптическом элементе.
Экспериментальная установка уже демонстрирует коэффициенты передачи порядка 78–82%, а моделирование показывает, что при достижении показателей свыше 99,5% станет возможным генерация кубитов GKP с ошибочной коррекцией на уровне, совместимом с устойчивыми к ошибкам архитектурами. Это открывает путь к разработке комплексных систем с мультиплексированием и стадиями «скрещивания» состояний (breeding), повышающими качество и вероятность формирования высококлассных кубитов. Выдающееся значение интегрированных фотонных источников GKP также заключается в их универсальности применения. Помимо вычислений, GKP-состояния находят полезное применение в квантовой коммуникации и метрологии. Резистентность к гауссовым ошибкам обеспечивает высокий уровень стабильности и точности передачи квантовой информации по оптическим линиям связи.
Важным достижением отмеченной разработки является системный подход к проектированию и изготовлению, обеспечивающий не только функциональную, но и производственную устойчивость. Использование крупносерийных 300-мм кремний-нитридных подложек, совместимых с коммерческими технологиями микроэлектроники, позволяет говорить о возможности масштабного производства подобных фотонных чипов с однородными характеристиками и высокой степенью контроля качества. На стороне детекторов совершенствуется технология переходных крайних сенсоров (transition edge sensors), достигающих эффективностей порядка 99,8%, что является одним из лучших показателей в области квантового детектирования фотонов. Реализация интегрированных источников GKP открывает перспективы создания многомодовых массивов, способных формировать большие кластерные состояния для измерительно-ориентированных квантовых вычислений. Такая архитектура обещает повысить скорость и надежность обработки квантовой информации, сводя к минимуму необходимость в громоздких и дорогих внечиповых интерфейсах.
Подводя итог, интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла представляет собой ключевой технологический шаг на пути к практическим, масштабируемым и надежным фотонным квантовым компьютерам. Благодаря использованию передовых материалов, оптимизированных дизайнов и высокоточных детекторов, удалось добиться качеств, которые позволяют уверенно прогнозировать возможность достижения уровня квантового превосходства в оптических системах. В ближайшие годы можно ожидать дальнейших улучшений, включая экстенсивное снижение потерь, расширение числа режимов и интеграцию дополнительных функциональностей, что сделает фотонные GKP-кубиты неотъемлемой частью будущих квантовых процессоров и коммуникационных систем.
