Разработка квантовых компьютеров, способных обрабатывать информацию с высокой степенью надежности, является одной из ключевых задач современной науки и технологий. На пути к созданию универсальных и масштабируемых квантовых машин важную роль играют не только архитектуры и алгоритмы, но и источники кубитов, которые должны сохранять высокое качество и позволять применить операции с минимальными потерями. Особое внимание в этом контексте привлекает семейство состояний Gottesman–Kitaev–Preskill, или GKP-кубиты, которые благодаря своим внутренним свойствам обеспечивают устойчивость к ошибкам и возможность выполнения универсального набора квантовых логических операций с использованием относительно простых и детерминированных методов. Гибкая и эффективная генерация высококачественных квантовых состояний – одна из основных технических преград к построению фотонных квантовых компьютеров. Традиционные подходы, основанные на использовании свободно-пространственных оптических компонентов, хотя и обеспечивают высокий уровень контроля и возможности, сталкиваются с рядом ограничений, связанных с масштабируемостью, стабильностью и интеграцией в более сложные системы.
Для преодоления этих барьеров ученые обратились к интегрированным фотонным платформам, где все элементы реализуются на одном компактном чипе с использованием малоинтенсивных и малоинвазивных методов генерации и обработки света. Одним из последних достижений в этой сфере является использование интегрированных фотонных чипов на основе нитрида кремния, изготовленных на 300-миллиметровых подложках с применением методов промышленного класса. Такая платформа демонстрирует рекордно низкие оптические потери, что является критическим фактором для сохранения квантовой когерентности при формировании сложных нелинейных состояний света. В сочетании с высокочувствительными детекторами с разрешением по числу фотонов, такими как переходно-регистрируемые сенсоры, эта технология открывает путь к генерации GKP-кубитов на оптическом уровне с показателями, приближающимися к требованиям к ошибкам для построения толерантных к ошибкам вычислительных систем. Суть метода заключается в создании четырехрежимного гауссового состояниядля формирования комплекса запутанных режимов.
Используя нелинейное взаимодействие, а именно спонтанное четырехволновое смешивание с резонансным усилением в интегрированных микрокольцах, на чипе формируются сжатые вакуумные состояния высокой чистоты и степени сжатия. Они представляют собой строительные блоки для более сложных состояний GKP. Далее с помощью оптического интерферометра и многоканального детектирования происходит проектирование искомого кубитового состояния. Отбор по детекторным паттернам с приводами дипиков по числу фотонов позволяет с высокой вероятностью получить GKP-состояния с характерной многомодовой структурой, которая проявляется в виде решетки отрицательных областей функции Вигнера – графического представления состояния в фазовом пространстве. Экспериментальные данные подтверждают качество генерации GKP-состояний с четырьмя явно разрешимыми пиками как в координатной, так и в импульсной квандратуре.
Это ключевой признак, указывающий на возможность реализации устойчивой логики кубитов. Функция Вигнера демонстрирует сеточную структуру с девятью регионами отрицательной вероятности, что является необходимым условием для универсального квантового вычисления. При этом уровень оптических потерь, составляющих порядка 18-22%, ограничивает текущие показатели эффективного сжатия, однако при дальнейшем улучшении технологий и уменьшении потерь ожидается превышение критического порога, необходимого для широкомасштабного, устойчивого квантового компьютинга. Одним из значимых аспектов проведенного исследования является масштабируемость архитектуры на основе интегрированных «фотонных молекул» – комбинаций микрокольцев с различным спектром резонансов, позволяющей подавлять нежелательные нелинейные процессы и оптимизировать качество сжатого света. Эти разработки позволяют планировать серийное производство сотен тысяч подобных источников, что необходимо для формирования полноразмерных квантовых вычислительных кластеров из GKP-кубитов.
Важна и возможность программных настроек интерферометров, обеспечивающих вариации в формировании оптических решеток и адаптацию алгоритмов к специфике вычислительной задачи. Преимущества использования GKP-кубитов связаны с их фундаментальной устойчивостью к гауссовым ошибкам и потере фотонов, что делает их идеальными для оптических квантовых сетей, способных функционировать при комнатной температуре и без использования сложных охлаждающих систем. В отличие от систем на основе сверхпроводящих кубитов или ионов, фотонные решения обладают высоким потенциалом для интеграции с существующими телекоммуникационными инфраструктурами, просветляя путь к глобальному квантовому интернету и распределенным вычислениям. Важную роль в эксперименте играет точность и эффективность разделения и фильтрации оптических сигналов на чипе. Ассиметричные интерферометры Маха-Цендера отсекают шумовые компоненты, позволяя получать высокочистые сжатые состояния и их интерференционные сочетания.
Электрооптическая стабилизация фазовых соотношений между лазерами и генераторами сжатия обеспечивает сохранение когерентности на всем пути прохождения сигнала. Подобный уровень контроля и интеграции позволяет достичь исключительной стабильности и воспроизводимости эксперимента. Глубокий анализ квантовых состояний с помощью сбалансированной гомодинной детекции позволяет реконструировать матрицу плотности и визуализировать функцию Вигнера с разрешением, достаточным для определения качества сформированного кубита. Использование методов максимального правдоподобия при реконструкции отвечает современным требованиям к точности измерений и позволяет обойтись без компенсации потерь на этапе обработки данных, делая результаты максимально приближенными к реальным параметрам системы. Перспективы дальнейшего развития связаны с снижением потерь на всех этапах: от генерации сжатых вакуумных состояний, через интерферометрию и фильтрацию до детекции.
