Квантовые вычисления становятся одной из ключевых технологий XXI века, обещая революционные преобразования в таких сферах, как криптография, моделирование сложных систем и искусственный интеллект. Основная задача создания квантовых компьютеров — формирование высококачественных квантовых битов или кубитов, которые обладают необходимой устойчивостью к ошибкам и позволяют реализовывать универсальные логические операции с высокой точностью. Среди множества подходов особое место занимает класс кубитов, известных как Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP) кубиты. Эти кубиты уникальны тем, что кодируются в непрерывных переменных оптических режимов, что открывает путь к облегчённой реализации квантовых операций с помощью стандартных оптических элементов и приборов. Однако традиционные методы создания таких состояний требуют громоздкого и сложного свободно-пространственного оптического оборудования, что негативно сказывается на масштабируемости и стабильности систем.
Недавно была достигнута значительная веха — создание интегрированных фотонных источников GKP-кубитов на основе кремнийнитридных фотонических чипов, что кардинально меняет правила игры в квантовой оптике и развитии квантовых технологий. Современные фотонные архитектуры ориентированы на преобразование классического лазерного излучения в высокочистые неклассические квантовые состояния света. Для этого традиционно используются нелинейные оптические процессы, такие как спонтанное параметрическое низкочастотное рассеяние (SFWM) и спонтанное параметрическое расщепление (SPDC). Они генерируют сжатые вакуумные состояния, обладающие квантовыми свойствами, но для создания полноценного квантового кубита требуется дополнительная манипуляция и контроль — например, сочетание с измерениями отдельных фотонов и интерференционными установками. В классических квантово-оптических схемах часто специальными детекторами с разрешением по числу фотонов получают однофотонные состояния, которые используются в схемах кодирования кубитов, однако такие подходы требуют низких температур и множество этапов мультиплексирования для повышения вероятности успешного создания состояния, что усложняет систему в целом.
Появление GKP-кубитов стало настоящим прорывом в этой области. Такая кодировка использует квантовый осциллятор, который не ограничивается двумя дискретными состояниями, а оперирует бесконечномерным пространством состояний. Благодаря этому можно реализовать двоичные кубиты с использованием периодических решётчатых состояний в фазовом пространстве, отличающихся повышенной устойчивостью к ошибкам и проще реализуемых операциях. Основной набор клиффордовых логических операций с этими кубитами можно выполнять с помощью элементарных оптических инструментов — фазовых сдвигов, балансовых делителей и гомодинных измерений — всё это возможно при комнатной температуре, что кардинально снижает требования к системе по сравнению с криогенными технологиями. Недавний эксперимент, проведённый исследовательской группой на базе интегрированного кремнийнитридного фотонического чипа, доказал возможность эффективного создания и герналинга GKP-состояний на масштабе практических применений.
Чип изготовлен на 300 мм кремнийнитридной подложке с помощью высокотехнологичных процессов, оптимизированных для снижения оптических потерь и обеспечения высокой качества нелинейных элементов. На этом чипе посредством резонансно усиленного процесса SFWM, запущенного двумя скоординированными лазерными импульсами, генерируются интерферирующиеся сжатые состояния света, которые затем комбинируются в линейном интерферометре. Последовательное измерение трёх выходных мод с помощью сверхэффективных детекторов с разрешением по числу фотонов (transition edge sensors) позволяет герналировать кубит в четвёртом выходном канале, подготавливая искомое GKP-состояние. Как показали результаты эксперимента, подготовленные состояния обладают всей структурой, необходимой для реализации устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Распределения по координатным и импульсным квадраторам имеют по четыре дифференцируемых пика, обеспечивающих чёткую фазовую решётку.
Уникальная особенностью этих состояний является наличие отрицательных регионов в функции Вигнера, которые указывают на полноту неклассического качества — необходимого ресурса для универсальной квантовой обработки. Демонстрируемая сетка негативных областей имеет структуру 3х3, что соответствует очень высокой степени негдеции и импульсно-пространственной организации квантового состояния. Качество подготовленных состояний можно количественно выразить через ожидания стабилизаторов, представляющих операторные сдвиги по фазовому пространству, на основе которых формируется код GKP. Полученный уровень эффективного сжатия, выраженный в децибелах, хотя и пока ниже требуемого порога для полноценного исправления ошибок, уже превосходит лучшие достижения, основанные на полностью свободно-пространственных экспериментах. При снижении потерь в устройстве до ниже 1%, что вполне достижимо с нынешними технологиями, система сможет генерировать GKP-кубиты с необходимым уровнем для построения полноценного отказоустойчивого квантового компьютера.
Уникальной чертой данного эксперимента является использование массово интегрированной платформы на основе кремнийнитрида, которая не только обладает низкими линейными потерями, но и поддерживает сложные нелинейные механизмы, нужные для квантовой генерации света. Такая технологическая база — ключ к масштабируемому производству квантовых источников, поскольку позволяет интегрировать миллионы независимых генераторов на единой подложке с высокой степенью стабильности и воспроизводимости. Кроме того, использование переходных детекторов с эффективностью, близкой к 99.9%, уменьшает статистические погрешности и увеличивает скорость подготовки кубитов. Технология интегрированной фотоники уже ранее предлагалась как решение для квантовых вычислений, но возможность создавать столь сложные и чистые GKP-состояния непосредственно на чипе открывает новые горизонты.
Сочетание высококачественных источников с программируемыми интерферометрами и эффективными детекторами позволяет разрабатывать сложные квантовые сети, такие как кластерные состояния для измерительных вычислений, которые являются одним из современных восприятий архитектуры масштабируемых квантовых компьютеров. Перспективы применения интегрированных GKP-кубитов выходят далеко за рамки вычислений. Благодаря сопротивляемости к гауссовским ошибкам и способности кодировать информацию с минимальным уровнем шума, они обещают значительные прорывы в области квантовых коммуникаций, создания квантовых повторителей для передачи данных на большие расстояния, а также в особо чувствительных квантовых сенсорах. Комбинируя все эти преимущества с возможностью массового производства, такие фотонные источники могут стать фундаментом для следующих поколений квантовых технологий. Однако, несмотря на замечательные успехи, перед практическим применением — особенно в крупномасштабных системах — стоит задача дальнейшего уменьшения потерь в системе, повышения эффективной интеграции модулей мультиплексирования и реализации более универсальных программируемых схем.
Для этого необходимы продолжение работы по улучшению фотонических платформ, разработке новых методов корректировки внутренней структуры квантовых состояний и совершенствованию систем квантового детектирования. Таким образом, интегрированные фотонные источники кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill ознаменовали собой революционный шаг в развитии оптической квантовой архитектуры. Они открывают путь к масштабируемым, стабильным и высококачественным квантовым состояниям, необходимым для построения универсальных отказоустойчивых квантовых компьютеров, а также для широкого спектра других применений в области технологий следующего поколения. В сочетании с передовыми методами квантового контроля и новыми алгоритмическими стратегиями, эти достижения могут фундаментально изменить ландшафт вычислительной науки и связи в ближайшие десятилетия.
