Современные квантовые вычисления неразрывно связаны с развитием технологий создания сложных и устойчивых квантовых состояний. Одним из наиболее перспективных направлений является использование фотонных систем для кодирования квбитов в оптических модах. Среди множества различных способов кодирования сегодня особое внимание уделяется кубитам Готтесмана–Китаева–Прескилла, или GKP-кубитам, отличающимся высокой устойчивостью к ошибкам и возможностью реализации универсальных квантовых операций с помощью достаточно простых и надежных оптических элементов. Внедрение интегрированных фотонных источников для генерации таких кубитов является ключевым шагом на пути к практическим, масштабируемым квантовым компьютерам нового поколения. В отличие от традиционных свободнораспространенных оптических установок, которые ограничены по масштабируемости и требуют сложного и дорогостоящего оборудования при работе с нелинейной оптикой, интегрированные фотонные чипы на основе кремнийнитрида открывают новые возможности для компактных и высокоэффективных платформ.
Использование мультислойных кремнийнитридных подложек диаметром 300 мм позволяет достичь чрезвычайно низких оптических потерь и одновременно интегрировать несколько функциональных элементов, необходимых для генерации, управления и измерения квантовых состояний с высоким качеством. Суть технологии генерации GKP-кубитов связана с синтезом состояний с сеточной структурой в фазовом пространстве, которая позволяет реализовать устойчивую к классическим шумам кодировку информации. Такие состояния имеют четко выраженные признаки нелинейности, выраженные в виде отрицательных областей функции Вигнера, что является важнейшим ресурсом для квантовых вычислений, недостижимым при использовании только гауссовых состояний света. Передовые экспериментальные работы показали, что генерация GKP-состояний возможна с помощью четырехрежимных источников на базе гауссового бозонного семплинга, где нелинейность обеспечивается путем резонансного усилия спонтанного четырехволнового смешивания в микрокольцах, изготовленных из кремнийнитрида. Благодаря тонкой калибровке интерферометрии и управлению уровнями сжатия удалось получить состояния с минимальными потерями и высокой степенью контроля над параметрами выходного сигнала.
Ключевой особенностью такого подхода является использование детекторов с разрешением числа фотонов переходного края (transition edge sensors), обладающих эффективностью обнаружения свыше 99%. Такое сочетание качественных компонентов и точной инженерии позволяет получать GKP-состояния с четырьмя или более отчетливыми пиками как в координатной, так и в импульсной квадратах, что является необходимым условием для достижения порога ошибки, пригодного для ошибкоустойчивых квантовых вычислений. Текущие экспериментальные результаты демонстрируют стабильное получение GKP-состояний прямоугольной и шестиугольной геометрии, соответствующих разным параметрам фазового пространства. Это расширяет возможности кодирования и интеграции таких состояний в сложные кластерные структуры, используемые для измерительно-управляемых квантовых вычислений. Таким образом, появление интегрированных источников GKP-кубитов является важным шагом на пути к созданию фотонных квантовых вычислителей, способных работать при комнатных условиях и масштабироваться до миллионов кубитов.
Особое значение уделяется вопросу минимизации преломления и рассеяния в волноводах, что достигается за счет запатентованных технологических процессов производства чипов. Многоуровневая структура кремнийнитрида помогает обеспечивать высокую оптическую прозрачность и стабильность резонаторов микрокольц, исключая паразитные нелинейные процессы, способные снижать качество сжатых состояний. Это прямо влияет на конечный уровень эффективного сжатия, показатель которого превышает отметку в 0.6-0.8 дБ, что уже превосходит показатели, достижимые чисто гауссовыми состояниями.
Экспериментальная установка работает на частоте повторения 200 кГц, что позволяет регистрировать статистически значимое количество событий с различными шаблонами обнаружения на ПНР-детекторах. Отбор необходимых сигналов и последующая реконструкция плотностной матрицы квантового состояния на выходе делается с помощью метода максимального правдоподобия, что обеспечивает высокую точность моделирования и исключает необходимость компенсации потерь на этапе обработки данных. Наряду с генерацией GKP-состояний наблюдается образование когерентных котов и других сложных нелинейных квантовых состояний при различных результатах измерения на пяти фотонных каналах. Это открывает новые перспективы для универсального синтеза фотонных квантовых ресурсов, необходимых для реализации различных логических операций, а также для изучения фундаментальных свойств квантовой нелинейности. Между тем, на пути к применению таких фотонных источников в масштабных и устойчивых квантовых вычислительных системах стоят вызовы, связанные с дальнейшим снижением потерь, оптимизацией интерфейсов и развитием эффективных протоколов мультиплексирования и «отбро́са» (breeding) состояний.
Последний подход позволяет увеличивать качество GKP-состояний путем итеративного объединения и преобразования нескольких менее идеальных источников. При достижении минимальных потерь в пределах 1% ожидалось, что выходные состояния будут соответствовать пороговым требованиям для применения в реальных квантовых вычислениях с коррекцией ошибок. Будущее интегрированных фотонных платформ обещает революционные изменения в области построения фотонных квантовых компьютеров. С одной стороны, серийное производство на 300-миллиметровых кремнийнитридных подложках делает эти технологии совместимыми с современными полупроводниковыми стандартами и позволяет перейти от прототипов к промышленному масштабу. С другой стороны, развитие детекторов с высокой чувствительностью и энергонезависимых электрооптических компонентов позволяет создать модульные, масштабируемые архитектуры с высокой степенью надежности и управляемости.
