Квантовые вычисления давно рассматриваются как следующий революционный этап в развитии информационных технологий, способный кардинально повысить вычислительную мощность за счет использования явлений квантовой механики. Одним из ключевых вызовов в этой области с самого начала была реализация надежных и масштабируемых квантовых битов — кубитов, на основе которых строятся квантовые схемы. Среди множества подходов к кодированию кубитов особый интерес представляют состояния Готтесмана–Китаева–Прескилла (ГКП), которые служат устойчивым и удобным способом кодирования информации в бесконечномерном пространстве квантового осциллятора, например, в оптической моде. Эти состояния открывают широкий спектр возможностей для построения универсальных и детерминированных квантовых вычислений, при этом обладают устойчивостью к различным типам ошибок, что делает их весьма перспективными для реализации практических квантовых машин. Традиционные методы создания ГКП-состояний связаны с использованием свободно распространяющихся оптических компонентов, таких как зеркала, линзы и интерферометры, что существенно ограничивает возможность масштабирования решений.
Объём оборудования, точность настройки и чувствительность к помехам создают существенные барьеры для интеграции и массового производства. Именно этот вызов побудил исследователей разрабатывать интегрированные фотонные платформы, которые позволили бы компактно, стабильно и с минимальными потерями синтезировать и генерировать ГКП-кубиты непосредственно на чипе. Недавние публикации продемонстрировали первые успешные результаты в этой области с использованием микрофотонных чипов на основе кремния и нитрида кремния. Ключевым элементом таких систем является изготовление сложных многоуровневых фотонных структур с ультранизкими оптическими потерями, которые поддерживают нелинейные оптические процессы, необходимые для получения сжатых и запутанных состояний света. Интегрированные генераторы сжатого света построены вокруг микрорезонаторов с высокой добротностью, которые усиленно создают пары фотонов за счет спонтанного четырехволнового смешивания.
Управление фазой и амплитудой на чипе позволяет программно конфигурировать оптические интерферометры для формирования требуемых многомодовых состояний. Важной составляющей эксперимента выступают детекторы, способные с разрешением по числу фотоны фиксировать выходные сигналы, что позволяет реализовывать механизм герлдингa нужных квантовых состояний. Для этого применяются сверхчувствительные транзитные edge-сенсоры с эффективностью, превосходящей 99%, работающие при криогенных температурах. Сочетание высокоэффективных детекторов и интегрированной фотоники значительно повышает качество и чистоту создаваемых ГКП-состояний. В основе созданного источника лежит так называемый четырехмодовый гауссовский босонный сэмплер (GBS), который интерферирует четыре режима сжатого света, а последующая регистрация специфических паттернов фотонных чисел в трех из этих режимов служит условием герлдинга для формирования требуемого ГКП-кубита в оставшемся свободном режиме.
Отмечается, что выбранные параметры настройки и распределения сжатия приводят к получению состояний, имеющих минимум четыре отчетливых пика как в положении, так и в импульсе, что является критическим маркером для достижения порога ошибок, приемлемого для применение в устойчивых квантовых вычислениях. Демонстрация интегрированного источника ГКП-кубитов в оптическом диапазоне температуратики 1550 нм подтвердила возможность создания состояний с негативными областями функции Вигнера — одного из признаков глубокой нелинейности и квантовой нелокальности, необходимых для универсальных и fault-tolerant вычислений. Эта работа на чипе, выполненном на основе многоуровневого нитрида кремния с уделением особого внимания минимизации оптических потерь, стала важным шагом к реализации масштабируемых фотонных квантовых компьютеров, готовых к практическому внедрению. Качество подготовленных состояний может быть охарактеризовано через показатели стабилизаторов, отражающих степень приближения к идеальному кубиту ГКП. В эксперименте продемонстрированы эффективные уровни сжатия и стабилизации, превосходящие предел, достижимый с помощью простых гауссовых чистых состояний, что свидетельствует о наличии существенной нелинейной структуры и потенциале для дальнейшего улучшения посредством снижения потерь и совершенствования технологий.
Следующим вызовом в развитии технологии станет дополнение источников стадиями улучшения качества и вероятности (рефинера), а также внедрение так называемого «размножения» и «синтеза» кластерных состояний, что позволит формировать масштабируемые и устойчивые ресурсы для имплементации полноценных квантовых алгоритмов на фотонной платформе. Более компактные архитектуры с меньшим количеством мод, работающие в совокупности с многообразием герлдинг-паттернов, способны значительно повысить эффективность системы в условиях неизбежных потерь. Интегрирование всех элементов — от генерации, интерференции, детектирования до дальнейшей обработки состояний — на одной технологической платформе станет фундаментом для промышленных решений в области фотонных квантовых вычислений. Возможность масштабировать количество независимых источников до миллионов, их стабильная и эффективная работа откроет путь к созданию квантовых процессоров с высокой степенью параллелизма, обеспечивая новые горизонты в криптографии, моделировании молекул и сложных систем. Результаты полученные с помощью интегрированного источника ГКП-кубитов подтверждают важность конвергенции современных технологий: современных лазеров с высокой степенью стабилизации, передовых фотонных интегральных схем с ультранизкими потерями, сверхчувствительных детекторов и методов томографии сжатых состояний.
Это позволяет не только плодотворно экспериментировать с фундаментальными квантовыми процессами, но и разрабатывать прикладные решения, направленные на преодоление барьеров масштабирования и надежности. Таким образом, интегрированные фотонные источники Готтесмана–Китаева–Прескилла кубитов задают новая страницу в истории квантовых технологий — от лабораторных систем к практическим и легко масштабируемым квантовым компьютерам. Успехи в оптимизации процессов сжатия, стабилизации фаз и повышении детекторных характеристик обещают ускорить переход от прототипов к промышленным внедрениям и стимулировать дальнейшие исследования в области гостиничного квантового компьютерного программного обеспечения и алгоритмов, оптимизированных под особенности ГКП-кодирования. Такой прогресс является не только научным достижением, но и потенциальным фундаментом для создания новых вычислительных парадигм и приложений будущего.
