Квантовые вычисления представляют собой одно из самых революционных направлений современной науки и техники, обещая кардинально изменить способы решения сложных задач, недоступных классическим компьютерам. Одним из главных вызовов на пути создания практических квантовых устройств является разработка надежных и масштабируемых источников квантовых битов — кубитов, которые смогут обеспечить необходимую стабильность и управляемость для реализации сложных квантовых алгоритмов. В этой связи интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP) становится важнейшим элементом будущих квантовых архитектур, направленных на построение отказоустойчивых и универсальных квантовых компьютеров. Кубиты GKP выделяются среди множества других типов кодирования информации в квантовых системах благодаря своей уникальной структуре, использующей бесконечномерное пространство состояний одного оптического режима. Это позволяет им обладать фундаментальным преимуществом — реализацией универсального множества квантовых логических операций с помощью детерминированных гауссовских элементов, работающих при комнатной температуре.
Кроме того, данные состояния демонстрируют высокую устойчивость к ошибкам, вызванным гауcсовскими и оптическими потерями, что особенно важно для практического квантового вычисления. Однако до недавнего времени синтез качественных GKP-состояний с необходимыми параметрами был крайне сложной задачей. Ранние методы генерации таких состояний базировались на громоздких системах с большим количеством свободно стоящих оптических компонентов, что ограничивало масштабируемость и стабильность. В частности, традиционная генерация требовала сложных схем с нелинейными взаимодействиями света в свободном пространстве и высокоточным управлением, что делало такие установки непрактичными для развертывания в полноценных квантовых вычислительных платформах. Современные исследования продвинулись далеко вперед с использованием интегрированных фотонных чипов, изготовленных на основе многослойных плат силицида нитрида.
Такие чипы позволяют объеденить все необходимые оптические элементы — от источников сжатого света и интерферометров до фильтров и модуляторов — на одном кремниевом кристалле с чрезвычайно малыми оптическими потерями. Это обеспечивает стабильность, компактность и возможность масштабирования, что ранее казалось практически недостижимым. Ключ к успешной интеграции — использование процесса резонансно усиливаемого двухволнового смешивания в интегрированных микрорезонаторах, построенных по принципу фотонного молекулярного дизайна. Такой подход позволяет не только генерировать сжатые вакуумные состояния с высоким уровнем сжатия (до 10 дБ и более), но и эффективно подавлять нежелательные паразитные нелинейные процессы, которые могут снижать качество генерируемых состояний. Управление частотным спектром, стабилизация фаз и разделение оптических сигналов достигаются благодаря сложным асимметричным и симметричным интерферометрам на чипе, а выходные данные передаются по оптоволокну к фотонно-счетным детекторам с разрешением по числу фотонов и почти рекордной эффективностью обнаружения до 99.
8%. Экспериментальная схема основана на четырехрежимном устройстве, реализующем генерацию сцепленных сжатых состояний, последующего линейного преобразования и измерения трех режимов при помощи высокоэффективных детекторов. При обнаружении определенного паттерна фотонов в трех каналах происходит проекция оставшегося режима на состояние, близкое к идеальному GKP-кубиту на прямоугольной фазовой решетке. Достоверность создания таких состояний подтверждается методами гомодинного детектирования и реконструкции плотностной матрицы, что позволяет детально исследовать структуру волновой функции, распределения вероятностей и особенности функции Вигнера. Полученные состояния демонстрируют структуру с ярко выраженными четырьмя пиками как в координатном, так и в импульсном пространствах, что является критичным признаком для дальнейшей реализации ошибкоустойчивых квантовых протоколов.
Наличие негативных областей в функции Вигнера указывает на существенно негауссовский характер состояний, необходимый для универсальности квантовых операций и квантового превосходства. Эксперимент демонстрирует, что при дальнейшем снижении оптических потерь, достижение уровня передачи выше 99.5% позволит создавать состояния с эффективным сжатием превышающим 9.75 дБ — порог, необходимый для построения полноценной системы с защитой от квантовых ошибок. Важно отметить, что реализация такого уровня интеграции была достигнута благодаря синергии между продвинутыми технологиями изготовления нанофотонных чипов в масштабах 300 мм кремниевых ваферов и разработкой сверхчувствительных детекторов с разрешением фотонов.
Использование термооптических фазовых шифтеров для программирования интерферометров и тщательная стабилизация лазерных источников обеспечивают высокую точность управления параметрами системы, что необходимо для повторяемости и масштабируемости эксперимента. Перспективы развития исходят за рамки одной экспериментальной реализации. Полученные результаты открывают путь к созданию массивных массивов источников GKP-кубитов, которые при объединении с методами муляжа и «брединга» (breeding) смогут повысить вероятность успешной генерации кубитов, улучшить их качество и адаптироваться к остаточным потерям в системе. Такой подход согласуется с концепциями построения отказоустойчивых фотонных квантовых вычислительных платформ, где множество автономных, низкопотерьных источников служат основой для масштабируемой архитектуры. Фотонные GKP-кубиты находят применение не только в вычислениях, но и в квантовой коммуникации и квантовом сенсинге, что делает этот подход универсальным и мультидисциплинарным.
Уникальность фотонной реализации — в возможности работать при комнатной температуре и интегрироваться в существующую инфраструктуру оптоволоконных сетей. Подытоживая, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill задает новый стандарт для практической реализации квантовых информационных технологий. Синтезированные состояния демонстрируют высочайшее качество и структурные особенности, позволяющие думать о скором переходе от экспериментальной установки к полнофункциональным устройствам, рассчитанным на масштабируемость и совместимость с современными системами квантовой обработки информации. Дальнейшие инновации в материалах, сверхпроводящих детекторах и архитектуре чипов непременно приведут к прорывам в создании надежных, доступных и мощных квантовых компьютеров нового поколения.
