Квантовые вычисления представляют собой революционный шаг в обработке информации, способный решить задачи, недоступные классическим компьютерам. Одним из ключевых вызовов в реализации полезных квантовых устройств является эффективное кодирование квбитов и создание устойчивых квантовых состояний. Одним из самых перспективных подходов является использование кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP), которые основаны на кодировании информации в продолжающихся переменных квантового состояния света. Эти кубиты обладают уникальными свойствами, обеспечивающими устойчивость к шумам и ошибкам, что является необходимым условием для построения полноценного и масштабируемого квантового компьютера. Недавно была продемонстрирована интегрированная фотонная платформа для создания GKP кубитов, что знаменует собой значительный прорыв в области квантовой оптики и фотонных технологий.
Идея GKP кубитов была предложена в начале 2000-х годов, и с тех пор их рассматривают как одну из самых надежных схем для квантового кодирования. В отличие от традиционных кубитов, которые представлены двумя дискретными уровнями (например, спинами электронов или поляризацией фотонов), GKP кубиты используют непрерывный спектр состояний квантового осциллятора — в данном случае, оптического поля. Информация кодируется в виде периодической решётки по фазовому пространству, что позволяет эффективно реализовывать операции исправления ошибок без необходимости сложных вспомогательных систем. Основным условием таких схем является возможность генерации и детального управления фотонными состояниями с нужной структурой и качеством. До недавнего времени создание GKP состояний ограничивалось экспериментами с использованием громоздких и плохо масштабируемых систем, таких как ионные ловушки или сверхпроводящие схемы.
Эти платформы демонстрируют высокое качество кубитов, однако имеют ограничения в плане масштабируемости и интеграции с оптическими коммуникационными системами. Использование оптических систем для создания GKP состояний имеет преимущества в скорости, температуре работы и возможности передачи информации по фотонным сетям. Тем не менее, основанные на свободном пространстве оптические установки страдали от высоких потерь, нестабильности и сложностей с объемом оборудования. Появление интегрированных фотонных цепей на базе кремния и нитрида кремния позволило совершить качественный скачок. Последние разработки включают создание чипа, изготовленного на 300-миллиметровой кремниевой подложке с низкими потерями и высокой нелинейностью, способного генерировать необходимые сжатые состояния света.
В основе работы устройства лежит спонтанная четырехволновая микшировка, резонансно усиленная в интегрированных мезорезонаторах, формирующих одиночные моды с высоким качеством. Питание лазерами с тщательно сформированными пульсами позволяет управлять процессом генерации фотонных пар и сжатых вакуумных состояний. После генерации сжатых состояний происходит их смешивание в программируемом линейном интерферометре, реализованном на том же чипе. Именно здесь возникает мультифотонный запутанный квантовый ресурс, необходимый для последующего формирования GKP кубитов. Ключевая инновация — использование детекторов с разрешением по числу фотонов на базе переходных краевых сенсоров (transition edge sensors), обладающих исключительной эффективностью обнаружения до 99.
8%. Такое сочетание позволяет детектировать фотонные паттерны, герольдирующие появление на выходе чипа искомых квантовых состояний с решетчатой структурой фазового пространства. Одна из продемонстрированных схем успешно генерирует GKP состояния с четырьмя четко различимыми пиками в переменных квантовой позиции и импульса, а также состоянием с множеством зон с отрицательным значением функции Вигнера, что является признаком необходимой неклассичности. Экспериментальная установка выполняет помехоустойчивое измерение состояния на выходе с помощью балансного гомодинного детектора, что дает возможность воссоздавать плотность вероятности квантовых состояний и проводить томографию с высокой точностью. Такой анализ подтверждает наличие критически важных признаков кубитов GKP, включая правильную решётчатую структуру, высокий уровень негауссовости и стабильность в условиях умеренных потерь.
Снижение оптических потерь остается важной задачей, направленной на достижение характеристик, необходимых для полной защиты от ошибок и использования в ошибко-корректируемых квантовых вычислениях. Аналитическая и численная модели показывают, что при улучшении коэффициентов передачи выше 99.5% возможно достичь симметричного эффективного сжатия, при котором удается переходить в режим, пригодный для реализации устойчивых операций и квантовой логики по GKP кодам. Такой уровень контроля технологических параметров становится достижимым благодаря индустриальным стандартам производства и оптимизации фотонных компонентов. Современные исследования показывают, что дальнейшее развитие архитектуры фотонных источников с уменьшением числа элементов, улучшением качества резонаторов, а также добавлением этапов «рафинирования» и объединения состояний («breeding») позволит улучшить параметры кубитов, повысить вероятность успешной генерации и обеспечить масштабируемость системы.
В перспективе такие интегрированные чипы могут служить однотипными элементами масштабируемых квантовых сетей, поставляя стабильные и воспроизводимые GKP кубиты для построения универсальных квантовых процессоров на основе фотонов. Важным аспектом является то, что GKP кубиты на оптической платформе обеспечивают работу при комнатной температуре, что значительно упрощает практическое применение квантовых вычислительных устройств по сравнению с системами, требующими глубокого охлаждения. Кроме того, развитие эффективных фотонных детекторов и высокоточной фоторезистивной технологии открывает путь для интеграции фотонных квантовых компонентов с классическими оптическими и электронными системами, обеспечивая комбинированный подход к построению гибридных вычислительных архитектур. В заключение, интегрированная фотонная платформа генерации GKP кубитов связывает в себе новейшие достижения в области нелинейной оптики, фотонной инженерии и квантовых технологий. Она задаёт фундамент для практической реализации масштабируемых, надёжных и эффективных квантовых вычислителей с возможностью устойчивого исправления ошибок и цифрового управления квантовыми данными.
Появление таких источников способствует развитию фотонных квантовых вычислений, квантовой коммуникации и сенсорики, ускоряя переход от теоретических моделей к реальным устройствам нового поколения.
