Интегрированный фотонный источник кубитов Готсмана–Китаева–Прескилла: новый этап в квантовых технологиях

Институциональное принятие

Современные квантовые вычисления стремительно развиваются, предлагая новые горизонты в обработке информации и решении сложнейших задач, недоступных классическим системам. Одной из ключевых проблем, стоящих перед исследователями, является создание надёжных и масштабируемых источников квантовых битов (кубитов), которые будут устойчивы к ошибкам и способны к длительному взаимодействию в вычислительных схемах. В данном контексте особое место занимают кубиты Готсмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP), представляющие собой квантовые состояния, закодированные в непрерывных переменных оптических мод. Кубиты GKP впервые были предложены в начале 2000-х как средство кодирования информации в гармоническом осцилляторе, что обеспечивает защиту от ошибок и возможность реализации универсального набора логических операций с помощью относительно простых оптических инструментов. Их особенность заключается в том, что они интегрируют дискретный кубит в бесконечномерное пространство, что обеспечивает высокую устойчивость к шумам и потерям, свойственным оптическим системам.

Это делает их привлекательными кандидатами для оптических квантовых компьютеров, где можно использовать доступные технологии детектирования и обработки света. Одним из основных ограничений использования GKP-квбитов в оптической области долгие годы была сложность их генерации. Традиционные методы опирались на свободно-пространственные оптические системы, которые сложно масштабировать из-за габаритов компонентов и нестабильности к внешним воздействиям. Однако недавний прорыв связан с использованием интегрированных фотонных чипов, разработанных на основе уникальных многослойных структур кремний-нитрида, позволяющих существенно снизить потери и увеличить согласованность формирования квантовых состояний. Новое исследование команды учёных, опубликованное в журнале Nature в 2025 году, представляет собой первый демонстрационный эксперимент по созданию GKP-квбитов с использованием интегрированных фотонных источников.

Ключевым элементом является ультранизкопотерянный фотонный чип, оснащённый четырьмя одновременными источниками сжатого света, работающими в телекоммуникационной полосе 1,550 нм. Важной особенностью стало применение резонансно усиленного взаимодействия четырёхволнового смешивания (Spontaneous Four-Wave Mixing, SFWM) в специально сконструированных микрозеркальных резонаторах, что позволило генерировать одиночные моды с высоким уровнем сжатия и минимальными нежелательными нелинейными эффектами. Далее сформированные сжатые состояния проходят через программируемый линейно-оптический интерферометр, который запускает процесс формирования четырёхмодового запутанного состояния. Выбор конкретного квантового состояния, пригодного для кодирования GKP-квбита, осуществляется посредством герольдирования – процесса с помощью счётчиков фотонов с разрешением на количество фотонов (Photon Number Resolving Detectors), основанных на технологии переходного металлического сенсора (Transition Edge Sensor). Именно эти детекторы, обладающие исключительной эффективностью и чувствительностью, служат триггером, позволяющим выделить искомые нелинейные квантовые состояния, когда на трёх из четырёх выходных мод детектируются соответствующие паттерны фотонов.

Экспериментальная установка работает с частотой повторения около 200 кГц, что обеспечивает обширный массив статистических данных, достаточный для реконструкции плотностной матрицы квантового состояния методом гомодинного детектирования и последующего статистического анализа. Полученные результаты показывают наличие критически важной структуры для GKP-квбитов: на распределениях квадратур как позиционного, так и импульсного типа наблюдается достаточно чёткое разделение на четыре отдельных пики. Более того, визуализация функции Вигнера свидетельствует о сеточной структуре с отрицательными областями – важным признаком наличия несмешанных негaуссовых компонентов, без которых невозможно построение универсальных квантовых схем. Особенно примечателен тот факт, что за счёт высокой эффективности фотонных детекторов и минимизации оптических потерь удалось достичь уровней эффективного сжатия, близких к теоретическим требованиям для реализации устойчивых квантовых вычислений. Анализ экспериментальных данных и симуляции показывают, что при дальнейшем снижении потерь менее чем до 1% в оптических цепочках возможно получить GKP-состояния с качеством, достаточным для практического применения в масштабируемых фотонных квантовых компьютерах.

Данный подход отличается от традиционных схем построения квантовых компьютеров на базе однофотонных кубитов, которые требуют сложных систем мультиплексирования и работы при криогенных температурах из-за ограничений используемой техники детектирования и реализации логики. Создание интегрированных фотонных источников GKP-квбитов с применением комнатных температур и стандартных волоконных интерфейсов расширяет доступность и потенциальную масштабируемость технологии. Технологическая база изготовления чипа представлена кремний-нитридным многослойным процессом на 300-миллиметровых пластинах, совместимом с современными производственными стандартами полупроводниковой промышленности. Это открывает возможность серийного производства мегамасштабных массивов таких источников, необходимых для создания полноценных квантовых вычислительных архитектур. Разработчики предусматривают дальнейшее интегрирование дополнительных функциональных блоков для фильтрации, маршрутизации, мультиплексирования и «бридинга» (breeding) – процесса, улучшающего качество и стойкость генерируемых состояния к потерям.

Появление подобных интегрированных фотонных источников – важный шаг в реализации крупномасштабных фотонных квантовых компьютеров с топологической устойчивостью, что позволит переступить через существующие технологические барьеры. Кроме вычислительной области, GKP-квбиты имеют большой потенциал в квантовой связи и квантовом сенсинге, где их особенности дают преимущества по устойчивости и возможности детального контроля состояний. Таким образом, внедрение интегрированных фотонных чипов для синтеза кубитов Готсмана–Китаева–Прескилла открывает перспективы нового поколения квантовых устройств. Связь с универсальными оптическими операциями через простые линейные компоненты, высокая эффективность детектирования и совместимость с современными технологиями производства делают эту разработку одним из главных направлений в развитии устойчивых и масштабируемых квантовых платформ. Успехи в этой области стимулируют дальнейшие исследования по оптимизации архитектур квантовых процессоров, разработке сверхнизкопотерянных материалов, а также интеграции элементов квантовой памяти и коррекции ошибок.

В перспективе это приведет к появлению полноценных модульных фотонных квантовых компьютеров, способных решать задачи, выходящие за пределы возможностей классических систем и обеспечивать новые приложения в области безопасной связи, моделирования химических реакций и искусственного интеллекта. Повышение качества интегрированных фотонных источников GKP-квбитов является краеугольным камнем на пути к коммерциализации квантовых технологий, что сделает их доступными не только в научных лабораториях, но и в промышленных и приложенческих сферах по всему миру.