В условиях стремительного развития квантовых технологий создание устойчивых и масштабируемых источников квантовой информации становится главной задачей для ученых всего мира. Одной из ключевых проблем в области фотонных квантовых вычислений является генерация и управление квантовыми состояниями света, которые могут эффективно кодировать кубиты — фундаментальные единицы квантовой информации. Кубиты Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP) представляют собой уникальный класс кодов, обеспечивающих защиту от ошибок и поддержку универсального набора квантовых логических операций при работе с фотонами. Недавние прорывы в интегрированной фотонике позволили впервые реализовать источник кубитов GKP на компактной кремний-нитридной платформе, что открывает радужные перспективы для промышленного производства квантовых устройств нового поколения. Исторический контекст и значение GKP-кодирования Идея кодирования квантовой информации в непрерывных переменных была впервые сформулирована в конце 1990-х — начале 2000-х годов, когда исследователи искали подходы к защите квантовых данных от ошибок в квантовых когерентных состояниях.
Широко известен труд Готтесмана, Китаева и Прескилла, в котором была предложена схема кодирования кубита в осцилляторе — физической системе с бесконечной размерностью пространства состояний. В этом подходе базовыми элементами являются так называемые «решетчатые» состояния, где информация закодирована в регулярной структуре фазового пространства. Технологически кубиты GKP привлекательны тем, что обеспечивают детерминированное выполнение Клиффордских гейтов с помощью простых гауссовских операций — такого рода преобразований можно реализовать при комнатной температуре и относительно низких затратах ресурсов. Это контрастирует с традиционными схемами на основе одиноких фотонов, где многие ключевые операции имеют вероятностный характер и требуют сложного холодного оборудования. Трудности традиционных решений и преимущества интегрированного подхода До недавнего времени создание кубитов GKP в оптическом облучении базировалось на свободно-пространственных оптических системах.
Такие установки, хотя и позволяли продемонстрировать фундаментальные эксперименты, плохо масштабируются и крайне чувствительны к внешним возмущениям. Компоненты и оптические пути в таких системах не могут быть компактно интегрированы друг с другом, что затрудняет создание больших сетей квантовых источников и контролируемых гейтов. Использование интегрированных фотонных схем сыграло ключевую роль в преодолении этих ограничений. Кремний-нитридные платформы на 300-мм кремниевых пластинах демонстрируют чрезвычайно низкие потери передачи и стабильность, критичные для поддержания когерентности квантовых сигналов и сохранения нелинейных эффектов, необходимых для генерации нестандартных квантовых состояний. Одновременное применение микрорезонаторов и программируемых интерферометров позволяет реализовать сложные мультимодовые гауссовские состояния, из которых с помощью когерентного измерения и детекторов с разрешением по числу фотонов (Transition Edge Sensors) удается герляндировать кубиты GKP высокой чистоты.
Механизмы генерации и характеристики эксперимента В недавно опубликованном эксперименте команда исследователей применила четырехмодовый источник гауссовского бозонного самплинга (GBS) для создания GKP-квантов в волноводах на кремний-нитридной платформе. Принцип работы заключается в том, что отдельные одновременные раскрученные по времени сжатые состояния формируются в микрорезонаторах — фотонных молекулах с оптимизированными характеристиками, подавляющими паразитные нелинейности. После генерации сжатых состояний они проходят через программируемый интерферометр, где происходит сложное линейное переплетение, формирующее выходное мульти-модовое состояние. Три из четырех выходных мод измеряются детекторами с разрешением по числу фотонов, которые фиксируют определенный паттерн регистрации (например, (3,3,3)), что с высокой вероятностью соответствует генерации целевого кубита GKP на оставшемся выходном моде. Для реконструкции квантового состояния используется сбалансированная гомодинная детекция, при этом реализуется сигнатурная нелинейность винеровской функции с наличием как минимум четырех четко различимых пиков по квадрурам, что является индикатором надёжной структуры кубита и его пригодности для устойчивого квантового вычисления.
Ключевые результаты включают достижение эффективности обнаружения для герляндинговых детекторов до 99.9%, низкие оптические потери по всей цепочке, а также широкий спектр герляндируемых состояний с различными структурными паттернами в фазовом пространстве — от кат-состояний до различных типов сеток, включая прямоугольную и гексагональную решетки. Важность решений для масштабируемости и перспективы развития Интегрированное изготовление квантовых фотонных источников открывает путь к развитию масштабируемых систем квантовых вычислений. Использование 300-мм кремниевых пластин и передовых микрофабрикационных технологий означает возможность параллельного производства миллионов генераторов квантовых состояний с контролируемыми параметрами. В частности, перспективы комбинирования мульти-режимных источников с архитектурой под названием refinery и последующим построением кластерных состояний создают основу для полноценных измерительных квантовых компьютеров.
Доля потерь в экспериментальных компонентах остается ключевым параметром, лимитирующим качество GKP-квантов. Современные данные указывают, что при достижении общей оптической передачи выше 99.5% устройство сможет подавать состояния, соответствующие порогу устойчивости к ошибкам и пригодные для применения в настоящем масштабном квантовом компьютере. Продолжающиеся улучшения в области изготовления, паковки и детекторов позволяют надеяться на достижение этих показателей в ближайшие годы. Ещё одним многообещающим направлением является внедрение более низкоуровневых алгоритмов оптимизации параметров источников и расширения числа режимов для реализации еще более сложных и эффективных квантовых кодов.
К тому же, развитие квантовых сетей дает возможность использовать фотонные кубиты GKP не только для вычислений, но и для защищенной передачи информации и квантового сенсинга, расширяя спектр их применения. Заключение Интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла является значительным шагом на пути к практическому воплощению масштабируемых и устойчивых квантовых вычислительных систем. Технические достижения, связанные с низкопотерьевой кремний-нитридной платформой, эффективными детекторами и оптимизированными схемами нелинейной оптики, открывают новые горизонты для коммерциализации и прикладных исследований в области фотонных квантовых технологий. При дальнейшем снижении потерь и увеличении числа параллельно работающих источников ожидается появление полноценно работающих измерительных квантовых вычислителей на базе GKP-кодирования, что в перспективе может трансформировать вычислительные возможности человечества и обеспечить фундаментальную основу для новых квантовых коммуникаций и сенсорики.
