Квантовые вычисления все активнее входят в современную науку и технологии, обещая кардинально изменить подходы к решению сложных задач, критичных для материаловедения, криптографии, искусственного интеллекта и других областей. В их основе лежат кубиты — квантовые биты, хранящие и обрабатывающие информацию в суперпозициях и переплетениях квантовых состояний. Одним из наиболее перспективных направление развития квбитов являются логические кодирования, способные противостоять ошибкам и внешним воздействиям, характерным для реальных квантовых систем. Среди таких кодировок выделяются кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), предлагающие уникальный баланс между устойчивостью к помехам и физической реализуемостью. Кубиты GKP впервые были представлены в 2001 году и основаны на использовании квантовых осцилляторов, а именно оптических мод, где информация кодируется в суперпозициях когерентных состояний, локализованных в специфических структурах фазового пространства.
Их особенность — возможность реализовать универсальный набор квантовых логических операций с помощью одних лишь гауссовских преобразований, что значительно упрощает архитектуру квантовых устройств и снижает требования к охлаждению и сложному оборудованию. Одним из ключевых вызовов, сдерживающих масштабирование фотонных квантовых компьютеров, долгое время была проблема генерации качественных исходных состояний — кубитов с необходимым уровнем сжатия, нелинейности и контролируемостью. Ранние эксперименты опирались на установки на основе свободно-пространственных оптических компонентов: зеркал, призм, линз и расщепителей пучка, что серьезно ограничивало возможность интеграции, миниатюризации и стабильной работы систем. Недавно была представлена кардинально новая методика — интегрированный фотонный источник кубитов GKP, созданный на основе фотоволоконных наночипов, выполненных из кремний нитрида с оптимизированным уровнем оптических потерь. Такой чип изготовлен на 300-мм кремний нитридной пластине с использованием технологий, близких к производственным процессам современных полупроводниковых фабрик, что обеспечивает высокую стабильность, повторяемость и масштабируемость результатов.
Экспериментальная установка опирается на процессы четырехволнового смешивания, где двухтональные накачки лазерами приводят к генерации сжатых квантовых состояний, необходимых для формирования кубитов GKP. Использование интегрированных микрокольцев — фотонных молекул с тщательно спроектированным спектром резонансов — позволяет подавить паразитные нелинейные эффекты, что существенно улучшает качество генерируемых состояний. После формирования четырех модовых сжатых состояний, они объединяются в оптическом интерферометре с настраиваемыми параметрами, реализующем эффективное холстовое преобразование для получения необходимых энтанглированных состояний. Ключевая инновация состоит в использовании детекторов с числовым разрешением по числу фотонов — переходных краевых сенсоров, работающих при глубоком криогенном охлаждении и обладающих эффективностью обнаружения до 99,8%. Они точно фиксируют сигнал, позволяя реализовать так называемое геральдирование: успешное получение нужного состояния кубита подтверждается конкретным паттерном фотонных отсчетов на трех выходных каналах устройства.
Наблюдая такие сочетания, исследователи могут выделить и изучить состояние, выходящее из четвертого канала, при помощи высокоточного гомодинного детектирования — метода, дающего полное квантовое томографическое описание волновых функций. Результаты демонстрируют генерацию состояний с критически важными признаками для устойчивого квантового вычисления: резкими многоуровневыми пиками в распределениях по координатным и импульсным координатам (квадратурам) и выраженными негативными регионами Вигнеровой функции, которые служат маркером квантовой нелокальности и необходимы для создания универсальных наборов квантовых операций. Сгенерированные состояния имеют упорядоченную структуру — трех на три ячейки, формирующие прямоугольную фазовую решетку, что соответствует коду GKP. Уровень потерь в этой системе находится на отметках порядка 18–22%, что ограничивает максимальное качество состояний, однако моделирование указывает, что при снижении потерь до 0,5% и ниже устройство сможет стабильно производить кубиты, удовлетворяющие критериям порога исправления ошибок для полноценных, ошибкозащищенных квантовых вычислений. Важным аспектом также является интегрируемость и потенциал масштабируемости технологии.
Использование кремний нитрида, совместимого с промышленным стандартизированным производством, дает обещание создания миллионов параллельных источников кубитов в одном чипе, что открывает путь к практическим квантовым процессорам с сотнями тысяч или миллионами кубитов в оптическом домене. Кроме того, система не требует экстремального охлаждения всей платформы — только детекторы работают при миллисекундной доле кельвина, что упрощает конструкцию и снижает затраты энергии. Исследования в дальнейшем будут сосредоточены на усовершенствовании фазовой управляемости и гибкости интерферометров для генерации топологически разных типов решеток, в том числе шестиугольных, расширении возможностей геральдирования с использованием новых паттернов фотонных событий, а также разработке так называемых «ремесел» — стадий постобработки и умножения состояний, чтобы увеличить вероятность успешного и качественного выведения кубитов. Помимо применения в вычислениях, кубиты GKP обладают высоким потенциалом для квантовых коммуникаций и квантового сенсинга. Их устойчивость к гауссовским шумам делает их идеальными носителями информации на больших расстояниях и в шумных каналах, что имеет значение для квантового Интернета будущего.
Таким образом, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляет собой важный технологический прорыв, преодолевающий предыдущие инженерные и физические ограничения. Он открывает перспективу не только создания крупномасштабных квантовых компьютеров, но и интеграции квантовой обработки информации в существующую оптическую инфраструктуру, что делает цифровую эру квантовых технологий все более реальной и доступной.
