Современные квантовые вычисления продолжают стремительно развиваться, занимая центральное место в научных исследованиях и технологических инновациях. Одним из наиболее перспективных направлений является использование фотонных систем для реализации кубитов, что связано с их высокой скоростью передачи информации и возможностью масштабирования. Важную роль в этом контексте играет впервые индустриально изготовленный интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), который кардинально меняет парадигму создания устойчивых квантовых состояний и открывает путь к построению полноценных квантовых компьютеров с высокой степенью ошибкоустойчивости. Прежде всего, важно понять, что такое кубиты GKP и почему их создание на интегрированной фотонной платформе столь значимо. Кубиты GKP представляют собой особый тип квантовых логических состояний, которые кодируются в бесконечномерном пространстве оптического колебания — одном из основных физических носителей информации в квантовой оптике.
Главным преимуществом GKP-кодов является их способность к детерминированной реализации универсального набора квантовых операций с использованием относительно простых и технологично доступных гауссовых операций, таких как слияние лучей, фазовые сдвиги и гомодинные измерения. Такое свойство освобождает от необходимости применять сложные и неэффективные методы коррекции ошибок, типичные для других кодировок кубитов. Выдающееся исследование 2025 года, проведённое учёными корпорации Xanadu Quantum Technologies под руководством М. В. Ларсена и команды, раскрывает уникальную технологическую платформу, осуществлённую на базе специализированной интегрированной фотонной схемы, изготовленной из слоя кремниевого нитрида на 300-миллиметровой подложке.
Особенностью этой технологии является ультранизкие потери света внутри чипа, что резко повышает качество генерируемых квантовых состояний. Интегрированный подход устраняет ограничения ранее существовавших свободных оптических систем, которые затрудняли масштабирование и воспроизводимость оборудования необходимого для практических квантовых вычислений. В ядре продемонстрированного экспериментального устройства лежит четырехфазный источник нелинейного света, использующий резонансно усиливающиеся процессы спонтанного четырехволнового смешивания (SFWM), которые приводят к созданию одиночных модально чистых сжатых состояний света. Эти состояния затем проходят через программируемую интерферометрическую сеть, запутываясь таким образом, чтобы по определённому шаблону детектирования фотонов на выходах с применением высокочувствительных детекторов с разрешением по числу фотонов (transition edge sensors, TES) создавать искомые GKP-состояния. Преимущество данного метода состоит в том, что кубиты GKP излучаются непосредственно и могут быть охарактеризованы с помощью гомодинного обнаружения в режиме квантовой томографии, добиваясь наблюдения в фазовом пространстве решётчатой структуры с отрицательными областями функции Вигнера, что является классическим признаком немонотонности квантового состояния и ресурсом универсальных квантовых вычислений.
Наличие четырёх отчетливых пиков в распределениях квадраточных переменных свидетельствует о высоком качестве приближённых GKP-состояний, а возможность настройки параметров программы интерферометра предоставляет гибкость в формировании различных кодировочных решёток — например, прямоугольной или гексагональной, что улучшает адаптацию к различным операционным требованиям. Детальный анализ экспериментальных данных показал, что с помощью данного интегрированного источника можно достигать эффективного сжатия, сопоставимого с требуемым для реализации ошибок, с уровнем около 0,6 дБ симметричного сжатия, что выводит эту платформу на порог, необходимый для построения устойчивых квантовых операций. Исследователи подчёркивают, что дальнейшее снижение оптических потерь в элементах линии передачи и улучшение упаковки могут приблизить уровень потерь к менее чем одному проценту, при котором уже станет возможным выполнять вычислительные операции с GKP-кодами, удовлетворяющими строгим критериям ошибкоустойчивости. Совокупность технологий, включающая в себя современную фотонику, инженерно оптимизированные микросхемы, а также продвинутые TES-детекторы с эффективностью свыше 99 %, формирует основу для создания модульных и масштабируемых фотонных квантовых процессоров. Возможность интеграции миллионов таких источников на базе производственных процессов современного полупроводникового литография свидетельствует о реальной перспективе коммерциализации и использования фотонных квантовых компьютеров в широком спектре задач.
Особое внимание заслуживает концепция создания квантовых кластерных состояний — ресурса, необходимого для измерительного квантового вычисления. Источники GKP-состояний, подобные описанным, обеспечивают надёжное и эффективное формирование базовых ячеек кластера. При помощи линейного оптического преобразования эти ячейки могут быть объединены в более сложные структуры, выполняя при этом коррекцию ошибок на физическом уровне. Такой подход открывает двери для полноценных квантовых сетей и коммуникаций, способных работать при комнатной температуре, что является крупным преимуществом по сравнению с другими квантовыми аппаратными средствами. Кроме того, успех интегрированной фотонной платформы для генерации GKP-кубитов имеет важные приложения за пределами вычислений.
В области квантовой связи GKP-кодирование может повысить устойчивость к шумам при передаче информации по оптическим каналам. В квантовом сенсоринге эти состояния позволят улучшать точность измерений, снижая влияние квантовых ошибок и расширяя диапазон применений. Несмотря на значительные достижения, разработчики пока сталкиваются с вызовами, связанными с необходимостью дальнейшего минимизации оптических потерь, улучшения стабильности фазовых и амплитудных характеристик лазерных источников, а также с увеличением скорости и эффективности детектирования квантовых состояний. Тем не менее уже достигнутый прогресс демонстрирует реальность масштабируемых решений и мощный потенциал фотонной интеграции для квантовых технологий нового поколения. В итоге, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill иллюстрирует переход на новый уровень в развитии фотонных квантовых вычислений.
Его сочетание передовых материалов, микрофабрикации и квантовой оптики позволяет создавать высококачественные и устойчивые квантовые состояния, обеспечивающие эффективное и масштабируемое выполнение алгоритмов с коррекцией ошибок. Открывая путь к практическому применению фотонных квантовых компьютеров, эта технология формирует будущие стандарты в области квантовой информатики, коммуникаций и сенсора. В свете стремительного прогресса в сфере квантовых технологий данное направление заслуживает пристального внимания как со стороны научного сообщества, так и индустриальных партнёров, стремящихся внедрять инновации в вычислительные системы завтрашнего дня. Интегрированная фотонная платформа для генерации GKP-кубитов задаёт высокий стандарт качества и доступности, что способствует росту интереса и развитию новых прикладных проектов в области квантовой информации.
