Развитие квантовых вычислений сегодня стремительно движется вперед, и одним из ключевых направлений остаётся создание надежных и масштабируемых источников квантовых битов — кубитов. Одним из наиболее перспективных вариантов является реализация кубитов по схеме Готтесмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP). Эти кубиты уникальны тем, что используют квантовое состояние оптического осциллятора, позволяя эффективно внедрять логические операции, сохранять устойчивость к ошибкам и создавать универсальную базу для квантовых вычислений. Последние эксперименты, представленные учёными, продемонстрировали возможное применение интегрированных фотонных чипов для создания таких GKP кубитов, что открывает дверь к масштабируемым и практичным решениям в фото- и оптическом квантовом вычислении. Базовые принципы и значение GKP кубитов лежат в том, что они кодируют квантовую информацию не в дискретных единичных фотонах, а в бесконечномерном гильбертовом пространстве мод оптического поля.
Такая реализация позволяет использовать гейты Клиффорда с помощью относительно простых и хорошо отработанных Gaussian операций — например, с помощью фазовых сдвигов, линейных интерферометров и гомодинного измерения. Для выполнения универсального набора гейтов дополнительно применяются так называемые магические состояния кубитов, что делает архитектуру гибкой и менее чувствительной к потере фотонов и другим источникам шума. Важно также, что эти процессы работают в комнатных условиях, что является значительным преимуществом перед более традиционными платформами квантовых вычислений, такими как ионы в магнитных ловушках или сверхпроводящие цепи, которые требуют крайне низких температур. До недавнего времени практическая реализация GKP кубитов в оптическом домене сталкивалась с рядом существенных проблем — главным образом связаными с масштабируемостью и стабильностью используемых компонентов. Ранее эксперименты строились на свободно-пространственных оптических системах, чья сложность и высокий уровень потерь ограничивали создание большого числа кубитов, а также интеграцию с другими квантовыми элементами.
Новейшие достижения в области интегрированных фотонных технологий продемонстрировали возможность создания многомодовых квантовых состояний света с чрезвычайно низкими потерями, точным управлением параметрами и высокой стабильностью. Использование кремнийнитридных (SiN) платформ, разработанных по специализированным техпроцессам с большим диаметром подложек (300 мм), позволяет производить фотонные схемы с высоким качеством и повторяемостью, необходимыми для промышленного масштаба. Ключевым элементом описанного эксперимента стала комбинация нескольких инновационных технологических решений. Во-первых, это интегрированные микрорезонаторы, работающие на основе спонтанного четырехволнового смешивания (Spontaneous Four-Wave Mixing, SFWM), построенные по концепции фотонной молекулы. Такая форма организации резонаторов позволяет подавлять нежелательные паразитные нелинейные эффекты, сохраняя при этом высокий коэффициент сжатия света (squeezing), что необходимо для получения нужных квантовых состояний.
Во-вторых, гибкая линейно-оптическая интерферометрическая часть схемы с регулируемыми направляющими позволяет создавать запутанные многомодовые состояния Gaussian типа, которые служат исходной точкой для генерации GKP состояний после условного измерения. Условное измерение реализуется с помощью детекторов с разрешением числа фотонов (Photon Number Resolving detectors, PNR), построенных на основе термических переходных датчиков (Transition Edge Sensors, TES), работающих при криогенных температурах. В данном эксперименте удалось достичь значительной эффективности обнаружения — до 99.8%, что является мировым рекордом в сочетании с интеграцией и стабильностью. Высокая эффективность детекторов критична для корректной герцогальной генерации искомых состояний и минимизации ошибок.
Отбор состояний по заданному коллективному шаблону регистрации фотонов в трех из четырех выходных мод используется для «герца» — то есть постотслеживания момента, когда в оставшемся четвертом моде сформирован требуемый кубит GKP. Результаты эксперимента представляют собой подтверждение возможности получать оптические GKP кубиты с характерной структурой, необходимой для реализации устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Были зарегистрированы состояния с четырьмя чётко различимыми пиками в позиционной и импульсной квадратиурах, а также наличием «валидного» решётчатого узора с отрицательными областями в функции Вигнера, что является традиционным индикатором квантовой негасиности и необходимым ресурсом для выполнения универсальных квантовых операций. Приведена демонстрация, что при дальнейшем снижении потерь системы такие источники смогут производить GKP состояния достаточного качества для fault-tolerant (устойчивого к ошибкам) режима. Во многом успех оказался возможен благодаря тщательной оптимизации параметров системы: уровней сжатия, фазовых сдвигов в интерферометре, тепловых стабилизаций резонаторов и точной синхронизации лазерных импульсов для накачки.
Эксперимент проходил с частотой повторения 200 кГц и с суммарным числом измерений в десятки миллиардов, что позволило собрать статистически значимые данные и провести реконструкцию плотностной матрицы с помощью максимального правдоподобия. Важно, что реконструкция производилась без учёта компенсации потерь, что дополнительно подчёркивает уровень качества экспериментально полученных квантовых состояний. В перспективе успешная реализация интегрированных фотонных источников GKP кубитов станет фундаментом для создания более сложных архитектур фотонных квантовых компьютеров. Одним из центральных направлений является разработка модульных систем на основе массивов таких источников, соединённых с помощью многомодовых интерферометров для синтеза кластерных состояний — ключевого ресурса для измерительно-ориентированного квантового вычисления. При этом селекция состояний с помощью многообразия PNR детекторов и использование методов множественного помножения позволят плавно повышать вероятность и качество синтезируемых кубитов, компенсируя неизбежные потери.
Перспективный горизонт развития этих технологий включает значительное улучшение эффективности передачи от сжатия к детектору, минимизацию линейных потерь в волноводах и интерфейсах, а также совершенствование охлаждающей техники для детекторов без потерь в удобстве использования. Последующее повышение динамического диапазона и скорости работы PNR детекторов позволит существенно увеличить пропускную способность системы и уменьшить время ожидания генерации требуемых состояний. Кроме того, GKP кубиты обладают потенциалом для интеграции в квантовые сети и коммуникационные системы, где их устойчивость к ошибкам и способность сохранять когерентность обеспечивают надежную передачу информации на большие расстояния. В сочетании с фотонными интегрированными технологиями это может привести к созданию масштабируемых городских и глобальных квантовых сетей с высокой пропускной способностью и низкой латентностью. В заключение, интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла является важным шагом в эволюции квантовых вычислений и квантовых технологий в целом.
Применение интегрированных кремнийнитридных платформ, высокоэффективных детекторов PNR и комплексной системы эксперимента демонстрирует, что создание практически применимых, масштабируемых и устойчивых к ошибкам фотонных квантовых источников становится реальностью. Это, в свою очередь, способствует переходу от лабораторных исследований к индустриальным решениям, которые способны изменить облик информационных технологий, криптографии и моделирования сложных вычислительных задач в ближайшие десятилетия.
