Квантовые технологии сегодня стремительно развиваются, и одним из наиболее перспективных направлений является фотонное квантовое вычисление. В его основе лежит создание и манипулирование квантовыми состояниями света, которые необходимы для реализации кубитов – единиц квантовой информации. Среди различных видов квантовых кодировок одним из наиболее привлекательных является представление кубитов в виде состояний Готтесмана–Китаева–Прескилла (ГКП). Эти уникальные квантовые состояния обладают характеристиками, которые делают их особенно устойчивыми к ошибкам и позволяют реализовать универсальные квантовые операции с относительной легкостью и высокой точностью. Традиционные методы создания ГКП состояний опираются на свободно-пространственные оптические компоненты, что осложняет масштабирование и интеграцию таких систем в полноценные квантовые вычислительные устройства.
Однако последние достижения в области интегрированной фотоники, реализованные на основе кремний-нитридных многослойных платформ, позволили значительно продвинуться в решении этой проблемы. Работы, проведённые исследовательской группой в 2025 году, демонстрируют первый экспериментальный прототип интегрированного фотонного источника кубитов ГКП, который сочетает в себе сверхнизкие оптические потери и высокоэффективные детекторы с разрешением по числу фотонов. Интегрированная фотонная схема была создана на 300-миллиметровой кремний-нитридной подложке и включает в себя четыре источника сжатых квантовых состояний, объединяемых в одном устройстве. Для достижения требуемой нелинейности и поддержания высокого качества сжатия использована технология резонаторов из фотонного молекулярного типа – особая архитектура, подавляющая нежелательные паразитные нелинейные процессы, мешающие формированию чистых квантовых состояний света. Сжатые состояния света, необходимые для создания ГКП кубитов, генерируются с помощью возмущённого спонтанного четырехволнового смешивания, управляемого двумя лазерными помпами с точно согласованными частотами и фазами.
Для стабилизации и контроля параметров устройства используются специальные системы фазовой и частотной стабилизации, обеспечивающие устойчивую работу при частоте повторения импульсов 200 кГц. После генерации сжатых состояний они проходят через программируемый линейно-оптический интерферометр, где происходит многофотонное взаимодействие, необходимое для получения требуемого квантового запутанного состояния. Следующий этап – герлдинг кубитов – осуществляется с помощью уникальных криогенных детекторов, известных как переходные edge-сенсоры, обладающих сверхвысокой эффективностью обнаружения фотонов – в эксперименте удалось добиться рекордного уровня почти 99.9%, что значительно повышает качество и надёжность генерируемых квантовых состояний. Детекторы способны различать количество фотонов, что позволяет выборочно фиксировать появление конкретных состояний и тем самым эффективно создавать ГКП кубиты с заданными характеристиками.
Подтверждение успешной генерации кубитов происходит путём гомодинного детектирования с тщательным томографическим анализом состояния. Изучение квантовых характеристик выявило наличие нескольких важных признаков: разделимость нескольких пиков в распределениях по импульсной и фазовой квадратирам, а также ярко выраженную решетчатую структуру с характерными областями отрицательных значений функции Вигнера – признак выразительной квантовой нелинейности. Экспериментальные результаты показывают формирование так называемого прямоугольного ГКП состояния с решетчатым узором 3 на 3 в фазовом пространстве, что является существенным достижением и шагом на пути к устойчивым к ошибкам квантовым вычислениям. Помимо состояния, полученного при конкретном сочетании результатов регистрации фотонов (3,3,3), в ходе работы были исследованы и другие комбинации, которые порождают разнообразные нелинейные квантовые состояния, включая так называемые когерентные суперпозиции типов «кот» и состояния с шестигранной структурой решетки – варианты, потенциально пригодные для различных квантовых протоколов и схем коррекции ошибок. Одной из важнейших метрик качества ГКП состояний являются значения стабилизаторов – операторов сдвигов по квадратирам, которые характеризуют степень приближения экспериментального состояния к идеальному коду.
В отчёте авторов фиксируются показатели, превосходящие теоретические пределы для простых гауссовых состояний, что свидетельствует о высоком качестве подготовленных кубитов. Наличие нескольких резких пиков в распределениях и достаточное количество областей отрицательной функции Вигнера позволили заключить, что созданные состояния уже обладают ключевыми свойствами, необходимыми для реализации полноценного квантового кодирования с защитой от ошибок. Однако текущие технические ограничения, в первую очередь связанные с оптическими потерями в системе, сдерживают повышение качества кубитов до уровня, оптимального для масштабных вычислений. Авторы указывают, что при снижении потерь свыше 99.5% возможно получение кубитов с эффективным уровнем сжатия, соответствующим порогам устойчивых квантовых вычислений – уровню, который обеспечивает практическую исправляемость ошибок и надежность в вычислительных процессах.
Изготовление интегрированной схемы с таким уровнем потерь требует дальнейшего совершенствования материалов, технологий упаковки и оптимизации архитектуры. Тем не менее, выбранный дизайн схемы с четырьмя режимами уже демонстрирует подходящую платформу для внедрения дополнительных стэджей — таких как мультиплексирование и операции «скрещивания» (breeding), позволяющих как повысить вероятность успешной генерации кубитов, так и улучшить их качество. В более широком контексте, данное достижение открывает перспективы для крупномасштабных фотонных квантовых систем, способных объединять миллионы независимых источников кубитов, что качественно изменит возможности обработки информации и коммуникаций на квантовом уровне. Интегрированная фотоника выступает как ключевая технология, совмещающая высокую стабильность, компактность и возможность массового производства с технологической совместимостью с современными микроэлектронными процессами. Использование кремний-нитрида в качестве платформы обеспечивает уникальные преимущества в виде низких потерь, высокой интегрируемости и устойчивости к экстремальным условиям эксплуатации, что особенно актуально для квантовых систем.
Концепция использования ГКП кодирования, в которой квантовая информация представлена в бесконечномерном гильбертовом пространстве осциллятора, позволяет реализовать детерминированные класс Клифорд-операций только с помощью гауссовых элементов и гомодинных измерений, что значительно упрощает реализацию вычислительного процесса и повышает отказоустойчивость. Нелинейные операции, обеспечивающие полноту универсального квантового вычисления, в данной архитектуре достигаются через подготовку и использование магических состояний, генерация которых стала возможной благодаря описанному интегрированному фотонному источнику. Помимо вычислений, ГКП кубиты и связанные с ними технологии обещают революционные шаги в квантовой связи и сенсорах высокой точности, открывая горизонты для безопасных сетей передачи информации и сверхчувствительных измерений. Таким образом, представленная интегрированная фотонная платформа сочетает в себе передовые разработки в области материала, устройства, лазерных систем и криогенной электроники и становится одним из краеугольных камней будущей квантовой индустрии. Работа демонстрирует, что несмотря на сложность и многоаспектность задач по генерации и контролю непрерывно переменных квантовых состояний, современные технологии позволяют создавать необходимые технические средства и методологии для практической реализации.
Надёжные, масштабируемые и высокоэффективные источники кубитов ГКП открывают новый этап фотонных квантовых вычислений и, вероятно, станут базой для создания полноценных квантовых процессоров с возможностью исправления ошибок, что является критически важным для перехода квантовых технологий из лабораторий в коммерческую плоскость. В будущем развитие интегрированных платформ и совершенствование детекторов, а также внедрение многоуровневых протоколов обработки квантовых данных, обещают существенное повышение качества и доступности фотонных квантовых систем. Эти достижения будут стимулировать как фундаментальные исследования, так и практические приложения в вычислениях, коммуникациях, криптографии и точных измерениях, значительно расширяя наше понимание и управление квантовым миром.