Квантовые вычисления уже давно перестали быть исключительно теоретической областью науки и превратились в динамично развивающуюся технологию, способную изменить подходы к решению сложнейших задач в математике, физике, криптографии и других науках. Одним из ключевых направлений в этом контексте является создание надежных и масштабируемых квантовых битов — кубитов, которые способны сохранять квантовое состояние и подвергаться различным операциям с минимальным уровнем ошибок. В центре недавних научных достижений стоит интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), который обещает существенные прорывы в создании устойчивых квантовых вычислительных систем, работающих при комнатной температуре и с высокой степенью интеграции.Идея кодирования информации с помощью GKP-кодов была предложена в 2001 году, и с тех пор они признаны одними из наиболее перспективных схем для реализации отказоустойчивых квантовых вычислений. В отличие от традиционных кубитов, которые опираются на дискретные двухуровневые системы, GKP используют бесконечномерное пространство квантового осциллятора, что открывает возможности для реализации универсальных наборов квантовых логических операций с помощью простых и детерминированных гауссовых преобразований.
Это отличие качественно меняет подход к обработке кубитов и преодолевает ограничение многих фотонных квантовых архитектур, которые сталкиваются с высокой сложностью реализации универсальных операций над кубитами, необходимость охлаждения до низких температур и значительными потерями из-за использования громоздких свободно-пространственных оптических компонентов. В новом подходе исследовательская группа смогла реализовать интегрированный фотонный источник GKP-кубитов на основе кремния нитрида, что позволило создать компактную, устойчивую и масштабируемую платформу для генерации квантовых состояний света с необходимыми характеристиками для дальнейшего применения в квантовых вычислениях.Одним из ключевых аспектов новой технологии является использование четырехрежимного устройства Gaussian Boson Sampling (GBS), в котором четыре отдельные однофотонные сжатые состояния (single-mode squeezed states) переплетаются с помощью интегрированного линейного оптического интерферометра. Выходные сигналы трех из четырех режимов измеряются при помощи высокочувствительных детекторов, способных разрешать количество фотонов с эффективностью близкой к 99.8%.
Это позволяет с помощью процедуры геральдинга (heralding) пробуждать и фиксировать нужные квантовые состояния на четвертом выходном режиме. В итоге с высокой степенью точности рождаются и анализируются состояния, соответствующие кубитам Gottesman–Kitaev–Preskill, с характерными для них свойствами — наличием резольвируемых пиков по обеим квадратирам и отрицательными регионами на функциях Вигнера, показывающими ненулевую негалуацивность, необходимую для универсального квантового вычисления.Форм-фактор созданного фотонного чипа существенно снижает потери света, которые традиционно оказываются значительным препятствием для достижения полноценных качеств состояний GKP. Использование технологии кремния нитрида, оптимизированной для низких потерь и мультислойной структуры, позволило добиться пропускания оптического сигнала выше 90%, что значительно повышает итоговую эффективность геральдинга и тем самым успех генерации кубитов. Кроме того, чип оборудован набором интегрированных фильтров и регулируемых фазовых шифтеров, позволяющих точно настраивать параметры интерферометра для оптимальной генерации и стабилизации нужных квантовых состояний.
Отдельно стоит отметить роль чувствительных ПНР-детекторов (Photon Number Resolving detectors), разработанных на базе переходных сенсоров с термоэлектрическим вилкой. Такой тип датчиков, работающий при криогенных температурах, обеспечивает высокую эффективность и точность различения чисел фотонов, что критично для процедуры геральдинга и получения состояний с высокой степенью фиделити. Работы по интеграции оптического и электрического оформления чипа с датчиками достигли высокого уровня надежности и стабильности, что позволяет вести интенсивные эксперименты с более чем десятками миллиардов циклов измерений.Важным показателем качества GKP-состояний является наличие четырех и более четко разделенных пиков по квадратирам положения и импульса, что напрямую связано с эффективностью реализации кубитов и уровнем устойчивости к ошибкам. Экспериментально достигнутые показатели показывают наличие необходимой решеточной структуры в фазовом пространстве, а также реализацию порядка девяти отрицательных регионов в функции Вигнера, что свидетельствует о высоком уровне негалуацивности, присутствующей в состоянии — ключевой запас ресурса для квантовых операций, которые невозможно эмулировать классическими методами.
Согласно моделям и симуляциям, снижение оптических потерь ниже 1% позволит достигать эффективного сжатия пиков в двух квадратирах порядка 10 дБ, что соответствует порогам, необходимым для построения отказоустойчивой квантовой вычислительной архитектуры. Сейчас устройство работает с общей эффективностью порядка 78-82%, что пока не позволяет преодолеть этот порог, однако большая часть технологических элементов и процессов адаптированы и рассчитаны на то, чтобы при дальнейшей оптимизации и уменьшении потерь стать полноценным элементом масштабируемой квантовой системы.Начальный этап подготовки состояний, когда на базе спонтанного четырехволнового смешивания (SFWM) формируются сжатые вакуумные состояния с высоким качеством, осуществлен с использованием уникального фотонного молекулярного резонатора, интегрированного в плёнку из кремния нитрида. Такой резонатор спроектирован так, чтобы подавить паразитные нелинейные процессы и повысить эффективность генерации, при этом сохраняя монохроматичность и временную когерентность выходных фотонов.Пульт управления состоянием чипа включает передовые методы стабилизации фаз и частот с помощью набора лазеров, оптической частотной гребенки и обратной связи, что обеспечивает устойчивость квантовых состояний на протяжении миллиарда измерений.
Такой подход позволяет осуществлять квантовую томографию и реконструкцию плотности состояний с помощью гомодинного детектирования, стабильно обеспечивая высокую точность и воспроизводимость результатов.Перспективы развития этой технологии весьма впечатляющие. Интеграция фотонных источников GKP-кубитов на масштабируемых кремниевых платформах открывает путь к созданию многочисленных независимых источников, необходимых для построения крупных кластерных состояний и архитектур, рассчитанных на выполнение необходимых квантовых алгоритмов в реальном времени. Возможность работы при комнатной температуре, детерминированность операций с кубитами и сниженный уровень оптических потерь значительно упрощают аппаратную часть квантовых компьютеров нового поколения.Интересен и вывод о возможности расширения архитектуры на меньшие размерности GBS-устройств с двумя или тремя режимами, которые, согласно теории, могут предоставить более высокую устойчивость к потерям и позволяют внедрять методы мультиплексирования и «выращивания» состояния (breeding) для повышения качества и вероятности успешной генерации кубитов.
Такой путь развития указывает на гибкость платформы и её потенциал в долгосрочной перспективе.Другим важным аспектом является наличие нескольких паттернов геральдинга, которые приводят к генерации различных негалуационных состояний, включая «кошачьи» состояния Шредингера и различные варианты GKP-состояний с гексагональной и прямоугольной структурой решетки. Это позволяет расширить функционал и использовать один и тот же аппаратный комплекс для различных задач и экспериментов, а также для корректировки качества состоянии с помощью постобработки.Технологический прогресс также закреплен в многослойной структуре кремния нитрида, поддерживающей высокое качество волноводов с минимальным рассеянием, усовершенствованном процессе производства с использованием 300-миллиметровых кристаллов и продвинутом методах литографии, что соответствует промышленным стандартам производства полу-электронных компонентов и делает возможным быстрое масштабирование производства устройств.Появление интегрированной фотонной платформы для генерации кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill не только продвигает науку о квантовых вычислениях, но и открывает новые горизонты для создания практических квантовых вычислительных машин.
На горизонте — создание высококачественных многокубитных систем, обладающих не только вычислительной мощностью, но и устойчивостью к ошибкам, что находится в центре внимания всех крупных прорывов современной физики.Таким образом, сочетание последних достижений в области квантовой оптики, интегрированной фотоники и материаловедения привело к значительному шагу вперед в реализации масштабируемых и функциональных источников GKP-кодированных фотонных кубитов. Открывает новые возможности для коммерциализации фотонных квантовых технологий и их внедрения в разнообразнейшие сферы науки и техники, от защиты информации до вычислений следующего поколения.
