Квантовые вычисления сегодня рассматриваются как одна из наиболее перспективных технологий, которая способна совершить настоящую революцию в науке, инженерии и информационных технологиях. Однако создание мощного, масштабируемого и устойчивого квантового компьютера остается глобальным вызовом. Одним из ключевых элементов такой системы являются источники кубитов — фундаментальных единиц квантовой информации. В свете последних достижений особое внимание привлекает интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP), открывающий новые возможности в оптическом квантовом вычислении и устройстве сверхточных квантовых сенсоров. Концепция кубитов GKP была впервые предложена в начале 2000-х годов и представляет собой способ кодирования квантовой информации в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптического осциллятора.
Такой подход позволяет реализовывать универсальный набор квантовых логических операций с использованием исключительно гауссовых (линейных) элементов — таких как лучеразделители, фазовые сдвигатели и гомодинные детекторы — что значительно упрощает архитектуру квантового процессора и повышает его устойчивость. Ранее экспериментальные реализации оптических GKP-состояний опирались на свободно-пространственные оптические системы с громоздкими компонентами, что затрудняло масштабирование и интеграцию в полнофункциональный квантовый компьютер. Новое исследование, проведенное командой ученых из Xanadu Quantum Technologies, знаменует собой прорыв благодаря использованию ультранизкопотерьного интегрированного фотонного чипа на базе настраиваемой кремний-кремниевой нитридной платформы размером 300 мм. Эта разработка включает в себя высокоэффективные детекторы, способные точно распознавать количество фотонов, что позволяет создавать высококачественные кубиты GKP с достаточным числом квантовых пиков в координатном и импульсном квандратурах для обеспечения фундаментальных требований кустойчивости квантовой ошибки. Принцип работы интегрированного источника базируется на использовании процесса резонансно-усиленного четырехволнового смешивания внутри набора микрорезонаторов, сконструированных по принципу фотонной молекулы.
Такой дизайн оптимизирован для подавления паразитных нелинейных эффектов и генерации одиночномодовых сжатых состояний света с высокой степенью сжатия — порядка 8–10 дБ до учета потерь. Затем генерация этих состояний обрабатывается с помощью программируемой системы интерферометров, реализованных в оптической интегральной схеме, что создает запутанные многомодовые гауссовы состояния. Особое внимание уделено этапу герральдинга — процессу отбора необходимых квантовых состояний путём измерения трех из четырех выходных мод с использованием переходных краевых сенсоров. Высочайшая эффективность этих сенсоров, достигающая почти 99,9%, играет решающую роль в выделении кубитов GKP с оптимальными параметрами для дальнейшего использования. Выходной режим, не задействованный в детектировании, проходит гомодинную детекцию, позволяющую проводить томографию и реконструкцию квантового состояния, обеспечивая высокоточные данные о структуре сформированных GKP-квантов.
Экспериментальные результаты отметились не только созданием GKP-состояний с характерной квадратной или прямоугольной решеточной структурой в пространстве Уигнера, свидетельствующей о наличии нескольких отчетливых пиков в квандратурах q и p, но и демонстрацией отрицательных областей в функции Уигнера — ключевого признака их негауссовости, необходимой для универсальных квантовых вычислений и квантовой устойчивости. Полученные уровни эффективного сжатия и наблюдаемая многопиковая структура показывают, что далее с уменьшением оптических потерь и совершенствованием чипа эти источники смогут генерировать кубиты с качеством, соответствующим порогу для исправления ошибок в квантовых вычислениях. Данный подход основан на фабрикации с использованием современных полупроводниковых технологий, что гарантирует масштабируемость производства и возможность создания массивов независимых источников кубитов. Фактически такой интегрированный фотонный источник можно рассматривать как строительный блок для будущих fault-tolerant (устойчивых к ошибкам) фотонных квантовых компьютеров, где миллионы или даже миллиарды таких элементов объединяются для реализации сложных квантовых алгоритмов. Важным дополнением к этой инновационной платформе стали совершенствования в области лазерных систем и стабилизации частоты и фазы лазерных пульсов, используемых для возбуждения нелинейных процессов.
Комплексное управление фазами и амплитудами входных импульсов, а также продвинутые методы контроля взаимодействия резонаторов на чипе обеспечивают стабильность и воспроизводимость генерации требуемых квантовых состояний. Одной из уникальных особенностей работы является применение узконаправленных схем типа «лестницы» в программируемом интерферометре, позволяющем оптимизировать выходное состояние с наименьшими оптическими потерями. Это важный момент, поскольку каждая потеря ухудшает качество GKP-квантов и снижает степень их сжатия, что напрямую влияет на способность к исправлению ошибок. Кроме того, эксперимент предоставляет целый спектр различных герральдируемых состояний при разных сочетаниях счетов фотонов, включая состояния с гексагональной решеткой и классические суперпозиции когерентных состояний (кот-состояния Шредингера). Такая универсальность демонстрирует потенциал интегрированной платформы для генерации различных типов нелинейных и негауссовых квантовых состояний, востребованных в разнообразных приложениях квантовой информации.
Перспективы применения кубитов GKP выходят далеко за рамки вычислений. Их свойства уже сейчас рассматриваются в связке с технологиями квантовой связи и квантового сенсинга, где устойчивость к шуму и потере информации является критически важной. Наличие надежного и масштабируемого источника таких кубитов открывает путь к созданию высокопроизводительных квантовых сетей и сверхчувствительных сенсоров, способных превосходить классические аналоги. В ближайшем будущем разработчики планируют продолжать совершенствование оптических чипов, включая снижение потерь до значений ниже одного процента и интеграцию с дополнительными схемами «размножения» и «выращивания» состояний, которые позволят значительно повысить вероятность генерации качественных кубитов и улучшить их параметры. Также ведется работа над уменьшением технологических шумов и расширением возможностей настройки интерферометров в реальном времени для генерации GKP-состояний на произвольных фазовых решетках.
В итоге, интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла выступает ключевым элементом стратегии построения практичных, масштабируемых и устойчивых фотонных квантовых компьютеров. Эта технология, объединяющая достижения фотоники, нелинейной оптики, квантовой электроники и микроэлектроники, является отправной точкой для нового поколения инновационных устройств и систем, способных запустить квантовую революцию в информационных и вычислительных технологиях.
