Развитие квантовых вычислений привлекает все больше внимания ученых и инженеров по всему миру благодаря фундаментальной возможности решения задач, недоступных классическим компьютерам. В этом контексте ключевое значение приобретает создание стабильных и масштабируемых квантовых битов (кубитов), способных выдерживать операции с высокой точностью и низкими ошибками. Одним из наиболее перспективных вариантов квантового кодирования являются кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), воплощающие квантовую информацию в кодах, использующих непрерывные переменные фотонных состояний. Недавние достижения в интегрированных фотонных технологиях открывают новые горизонты для создания таких кубитов и их внедрения в масштабируемые квантовые архитектуры, способствующие практическому применению квантовых технологий в промышленности и науке. Кубиты GKP представляют собой квантовые состояния, определённые на непрерывном фазовом пространстве фотонного поля, сформированные посредством особых решетчатых структур в фазовой плоскости.
Их уникальность состоит в том, что они позволяют осуществлять детерминистические универсальные квантовые гейты с помощью только гауссовых операций – например, с помощью простых оптических элементов, таких как фазоcдвигатели, разделители луча и гомодинные детекторы. Кроме того, данная кодировка обладает высоким уровнем устойчивости к ошибкам, возникающим в результате гауссовских шумов и оптических потерь, что существенно повышает надежность и долговечность хранения квантовой информации. Эти качества делают кубиты GKP крайне привлекательными для построения масштабируемых и устойчивых к ошибкам фотонных квантовых вычислительных устройств. Однако на пути внедрения кубитов GKP существует важный технологический барьер — их генерация с высокой качеством и в компактном, интегрированном виде. Ранее опыт получения GKP-состояний базировался в основном на системах свободного пространства с оптическими элементами взвешенного размера, что ограничивало возможности масштабирования и практического применения технологии.
Современные разработки, проведенные командой исследователей из Xanadu Quantum Technologies, демонстрируют первый интегрированный фотонный источник кубитов GKP, построенный на ультранизкопотерном силикон-нитридном (SiN) чипе и сопряженный с высокоэффективными детекторами с разрешением по числу фотонов. Данное сочетание открывает перспективу массового производства фотонных GKP-кубитов в едином масштабируемом устройстве. Основой интегрированного источника служит специализированный фотонный чип, изготовленный с применением технологии 300 мм силикон-нитридных пластин, обеспечивающей минимизацию оптических потерь и высокую точность контроля параметров. На этом чипе реализованы четыре высококачественных резонатора в виде фотонной молекулы, обеспечивающей резонансный усиленный процесс спонтанного четырехволнового смешивания (SFWM). Этот нелинейный оптический процесс является источником одномодового сильно сжатого вакуума, необходимого для создания исходных квантовых состояний.
Управление уровнем сжатия, распределением света и фазовыми параметрами реализовано с помощью интегрированных Mach-Zehnder интерферометров и термооптических фазовращателей, что позволяет настраивать генерацию и преобразование состояний с высокой точностью. Для реализации процедуры герефования — предсказания создания искомого кубита — применяются сверхчувствительные к фотонам переходно-краевые датчики (transition edge sensors), работающие при криогенных температурах с эффективностью, приближающейся к 99.9%. Эти детекторы способны различать точное число фотонов в каждом сигнале, что обеспечивает выборочный отбор специфических негауссовых квантовых состояний, среди которых — GKP-состояния. В совокупности архитектура обеспечивает высокую вероятность создания кубита GKP, сопровождаясь при этом превосходным качеством состояния, подтвержденным экспериментальными измерениями методом квантовой томографии.
Выдающимся итогом эксперимента стало получение GKP-состояний с характерной сеточной структурой в фазовом пространстве с 3×3 отрицательными областями функции Вигнера — признаком ярко выраженной негайсовости, необходимой для универсальных квантовых вычислений. Одновременно наблюдалось как минимум четыре разрешимых пика в распределениях по квадрурам положения и импульса, что свидетельствует о подходящем качестве кодирования и будущем потенциале для реализации устойчивых квантовых вычислений с порогом ошибок, удовлетворяющим требованиям форсированной толерантности. Разработка и реализация такого интегрированного источника GKP-кубитов не только демонстрирует техническую возможность создания ключевого компонента для фотонных квантовых компьютеров, но и закладывает фундамент для построения комплексных масштабируемых архитектур. По мере снижения уровня потерь и повышения производительности компонентов, таких как мультиплексоры и устройства «воспитания» (breeding), ожидается достижение пороговых значений дляfault-tolerant квантовых вычислений и ускорение процесса превращения фотонной квантовой обработки информации из лабораторного эксперимента в практическое инженерное решение. Среди перспективных направлений находится развитие чиповых платформ с несколькими источниками кубитов GKP, обеспечивающими одновременную генерацию многих независимых состояний, а также совершенствование детекторов и интегрированных фильтров для минимизации шума и потерь.
