В современном мире квантовые вычисления рассматриваются как главная технологическая революция будущего, способная кардинально изменить различные сферы науки и техники. Одним из ключевых элементов построения таких систем являются кубиты — квантовые аналоги классических битов, которые служат базой для хранения и обработки информации. Среди различных типов кубитов особое место занимают кубиты, закодированные в бесконечномерных гильбертовых пространствах оптических мод, известные как кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP). Именно интегрированный фотонный источник таких кубитов открывает новые горизонты для создания масштабируемых и устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров на основе фотонных технологий. Кубиты GKP впервые были теоретически описаны в начале 2000-х годов учёными Дэвидом Готтесманом, Алексеем Китаевым и Джоном Прескиллом.
Этот способ кодирования позволяет использовать оптические моды — конкретно квантовую механику непрерывных переменных — для представления и защиты информации. Главное достоинство таких кубитов состоит в их устойчивости к ошибкам, возникающим из-за поглощения и других типов шума, а также возможности реализации универсального набора квантовых логических операций с помощью относительно простых и доступных методов Gaussian-операций. Это означает, что квантовые вычисления с использованием GKP кубитов могут быть реализованы эффективнее и надёжнее по сравнению с традиционными подходами, связанными с однофотонными кодировками. Несмотря на высокие теоретические ожидания от GKP кубитов, практическая реализация подобных состояний в оптическом домене до недавнего времени оставалась серьезной проблемой. Сложность заключалась в необходимости синтеза сложных негауссовых состояний света с высокой точностью и эффективностью, что требовало использования громоздких и чувствительных к внешним факторам свободно-пространственных оптических компонентов.
Это делало масштабирование таких систем практически невозможным и ограничивало их применение на уровне лабораторных экспериментов. Недавнее достижение в виде интегрированного фотонного источника кубитов GKP меняет парадигму создания квантовых оптических систем. Используя технологию нанофотоники и передовые методы изготовления на специализированных кремний-нитридных (SiN) платформах размером 300 мм, исследователи смогли построить компактный, устойчивый и сверхнизкопотерянный фотонный чип. На этом чипе интегрированы все необходимые элементы: генерация сжатых состояний света, программируемая интерференция и фильтрация, что позволяет производить GKP кубиты с качеством, достаточным для практического применения. Ключевым компонентом в реализации GKP кубитов на этом чипе является использование четырех режимов сжатого света, которые интерферируют и подвергаются селективному измерению с помощью детекторов с разрешением количества фотонов (PNR-детекторов).
Именно комбинация настроек степени сжатия, параметров интерферометра и результатов детекции фотонов позволяет условно готовить интересующие негауссовые состояния с признаками, близкими к идеальным GKP квантам. Важным достижением стало получение состояния, имеющего характерные четыре явных пика как в квадратах положения, так и импульса, а также сетку негативных участков функции Вигнера, демонстрирующую высокий уровень квантовой нелинейности и структурной сложности. Для подхранения кубитов и воспроизводимости эксперимента использовали сверхэффективные PNR-детекторы, основанные на переходных краевых термометрах, работающие при криогенных температурах. Такие детекторы достигают эффективности регистрации фотонов выше 99%, что существенно повышает вероятность успешного получения требуемых состояний и снижает влияния шумов и потерь. Благодаря этому повышается общая надежность и качество синтезируемых кубитов.
Важным достоинством фотонного источника GKP на интегрированной платформе является возможность масштабирования. Традиционные системы на свободно-пространственных оптиках велики по размерам и неустойчивы к механическим и температурным изменениям, тогда как интегрированные решения легко умножать для создания массивов источников, необходимых для полноценного квантового процессора с тысячами и миллионами кубитов. Кроме того, использование кремний-нитрида как материала обеспечивает низкие потери и высокое качество волноводов, что благоприятно сказывается на конечном качестве квантовых состояний. Оптические кубиты GKP уже продемонстрировали потенциал к устойчивости к ошибкам, что крайне важно для реализации теории квантовой коррекции ошибок, одном из главных барьеров на пути к практическим квантовым компьютерам. Кубиты, демонстрирующие признаки четырех разрешимых пиков и значительную Wigner-негацию, положительно влияют на способность исправлять ошибки, возникающие в процессе вычислений, и обеспечивают возможность построения отказоустойчивых кластерных состояний для измерительных квантовых вычислений.
Исследования показывают, что при дальнейшем снижении потерь в чипе и улучшении характеристик упаковки, возможно достижение показателей, превышающих необходимые пороги для полноценных отказоустойчивых квантовых операций. Считается, что при передаче оптических сигналов выше 99,5% можно будет стабильно получать кубиты с эффективной степенью сжатия свыше 9,75 дБ — именно столько требуется согласно современным теоретическим моделям для fault-tolerant вычислений. Текущий прототип представлен четырехрежимным источником, но для будущих масштабных систем будет предпочтительней использование меньшего количества режимов с более сложными схемами мультиплексирования и последующей генерации «магических» состояний, необходимых для реализации нелинейных логических гейтов. Таким образом, инновации в области интеграции, детектирования и оптимизации параметров представляют собой многокомпонентный прорыв, создающий базу для следующего поколения фотонных квантовых компьютеров. Кроме вычислительных задач, оптические GKP кубиты перспективны для других областей квантовых технологий.
Они могут применяться в квантовых коммуникациях, повышая стойкость к потерям и шумам в каналах передачи, что актуально для дальних расстояний и построения надежных квантовых сетей. В задачах квантового сенсинга такие состояния предлагают повышенную чувствительность и точность измерений, превосходя классические методы. Переход к интегрированным фотонным источникам кубитов GKP знаменует важный этап в развитии квантовых технологий. Он свидетельствует о том, что теоретически разработанные схемы кодирования и коррекции ошибок становятся достижимыми на практике в компактном, производимом и воспроизводимом формате. Текущие результаты подкреплют надежду на то, что в ближайшие годы масштабируемые фотонные квантовые компьютеры выйдут из стен лабораторий в коммерческую и промышленные сферы.
В долгосрочной перспективе разработка и совершенствование таких интегрированных фотонных чипов позволит устранить многие технологические ограничения квантовых систем, такие как температурные требования к детекторам, сложность оптических установок, а также высокие уровни потерь и шумов. Комплексное взаимодействие оптимизированных технологий лазеров, фотонных резонаторов, квантовых детекторов и программируемых интерферометров создаст фундамент для гибких, масштабируемых и мощных квантовых процессоров. Рост части квантовых алгоритмов, использующих GKP кубиты, будет стимулировать развитие новых методов кодирования, коррекции и обработки ошибок, обеспечивая развитие экосистемы квантовых приложений. Кроме того, продвижение в этой области имеет прямое влияние на смежные отрасли, включая телекоммуникации, материалознание, фармацевтику и криптографию, где преимущества квантового превосходства смогут быть реализованы с наибольшей эффективностью. Важно отметить, что интегрированный фотонный источник GKP кубитов не только показывает технологическую зрелость, но и подчеркивает важность междисциплинарных усилий: сочетание физики квантовой оптики, нанотехнологий, материаловедения и исследований по квантовой информации.
Коллаборация академических лабораторий и промышленности становится особенно актуальной для быстрого внедрения этих прорывных результатов в реальные инженерные решения. В заключение, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляет собой значительный шаг в области квантовых вычислений, устраняя фундаментальные барьеры масштабируемости и качества. Благодаря нему открывается путь к созданию доступных, надежных и многофункциональных фотонных квантовых устройств нового поколения, способных кардинально изменить текущий ландшафт вычислительных и коммуникационных технологий в ближайшем будущем.
