Развитие квантовых вычислений сегодня находится в центре внимания исследователей и инженеров по всему миру. Среди множества подходов к созданию полноценных квантовых компьютеров особое место занимают оптические, или фотонные, архитектуры. В такой парадигме основным элементом являются квантовые состояния света, используемые для кодирования и обработки информации. Среди различных кодировок ключевую роль играют кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), представляющие собой особый класс квантовых состояний, позволяющих эффективно реализовывать универсальный набор квантовых логических операций и обеспечивающих высокую устойчивость к ошибкам. В связи с этим создание интегрированного фотонного источника таких кубитов становится важнейшим технологическим шагом для построения масштабируемых и практичных фотонных квантовых вычислительных систем.
Кубиты GKP уникальны тем, что кодируют информацию в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптического режима с использованием так называемых сетчатых состояний. Эта особенность позволяет использовать лишь линейно-оптические элементы и гомодинные измерения для реализации важных групп операций, а также улучшает естественную защиту информации от потерь и шумов, типичных для фотонных систем. Традиционные методы создания таких состояний основывались на громоздких и нестабильных свободно-пространственных оптических установках, что существенно ограничивало возможности масштабирования и интеграции. Недавний прорыв в области фотоники связан с разработкой ультранизкозатратных интегрированных чипов на платформе кремний нитрида, способных генерировать кубиты GKP непосредственно на микросхемах размером несколько квадратных миллиметров. Эти чипы, созданные с использованием специализированных 300-миллиметровых пластин, объединяют в себе несколько компонентов, включая нелинейные резонаторы с фотонно-молекулярной структурой, фильтры подавления шума и многоуровневые интерферометры, что позволяет автоматически синтезировать запутанные гауссовские состояния и последовательно преобразовывать их в кубиты GKP через процедуру герилирования по сигналам с детекторов с разрешением по числу фотонов.
Технологическая значимость такого подхода заключается не только в компактности, но и в высокой эффективности и стабильности, позволяющей выполнять эксперимент со скоростью до 200 тысяч циклов в секунду. Использование детекторов с транзитным краевым эффектом (Transition Edge Sensors, TES) с эффективностью до 99,8% облегчает получение точной информации о числе фотонов, необходимой для корректного выделения нужных состояний. Это существенное улучшение в сравнении с традиционными методами, где потери и шумы сводили к минимуму вероятность успешного создания нужных состояний и усложняли процесс масштабирования. В рамках эксперимента был продемонстрирован синтез GKP кубитов с возможностью одновременного выделения минимум четырех разрешимых пиков в обеих квадратах фазового пространства — по координате и импульсу. Такое распределение свидетельствует о наличии необходимой структуры для устойчивости к ошибкам и потенциальной пригодности для реализации алгоритмов с универсальным набором логических операций.
Кроме того, было зафиксировано отрицательное распределение функции Вигнера, образующее аккуратную сетку, что служит индикатором выраженной неглассной природы сгенерированных состояний — важного ресурса для квантовых вычислений. Появление этих интегрированных фотонных GKP источников открывает путь к созданию архитектур, способных работать при комнатной температуре с относительно простыми оптическими компонентами — такими, как фазовые модуляторы и балансовые детекторы, не требующие криогенного охлаждения. Это кардинально упрощает будущую аппаратную реализацию машин с тысячами и миллионами кубитов, которые необходимы для практического применения квантовых вычислений для моделирования, оптимизации и решений сложных задач в материально-технической области. Использование мультиканальных источников и схем «переработки» состояний (refinery) позволит повысить качество получаемых кубитов путем объединения нескольких условий и компрессии ошибок, что дополнительно обеспечит достижение необходимого уровня шумоустойчивости для эффективного исправления ошибок и продолжительной работы квантового процессора. При дальнейшем снижении потерь в оптических компонентах, как ожидается, качество состояний превысит пороги, способные обеспечить полноценную отказоустойчивость, соответствующую стандартам, изложенным в современных теоретических исследованиях.
Технологическая база интегрированных источников на основе кремний нитридных платформ демонстрирует не только высокие показатели поглощения и рассеяния, уступающие традиционным системам, но и возможность масштабирования с использованием промышленно зрелых процессов полупроводникового производства. Подобный прогресс обещает появление фотонных квантовых модулей, которые могут быть собраны в крупные комплексы с помощью волоконной коммутации и межчиповых интерфейсов, сохраняя высокий уровень качества квантовой информации. Экспериментальные схемы базируются на строгой оптимизации параметров нелинейных резонаторов, распределения на мультиплексоре, а также подборе оптимальных шаблонов герилирования посредством анализа статистики детекторов. Такой комплексный подход позволяет гибко менять форму и характеристики выходных состояний для различных применений, включая схемы прямых вычислений и квантовую телекоммуникацию. Необходимо отметить, что интеграция ограниченного числа режимов в чипе создает определенные ограничения на разновидности реализуемых кубитов, однако теоретически можно применять дополнительные преобразования с помощью гомодинных измерителей и адаптивного сжатия для преобразования кубитов в разные форматы и решеточные структуры.
Это открывает дополнительные возможности для протоколирования и реализации комплексных алгоритмов с использованием единой аппаратной платформы. Перспективы развития включают совершенствование технологий соединения с внешними волокнами, дальнейшее усложнение схем мультиплексирования и создание пакетированных фотонных процессоров, работающих на основе GKP кубитов. Прогресс в области быстродействующих, детекторов с разрешением по числу фотонов и программируемых интерферометров позволит реализовать полноценные квантовые питоны с возможностью масштабирования и адаптации под разные задачи. Таким образом, интегрированный фотонный источник Gottesman–Kitaev–Preskill кубитов является фундаментальным технологическим блоком для будущего квантового компьютинга. Он решает практически все фундаментальные вызовы, связанные с созданием, стабилизацией и масштабированием фотонных квантовых состояний требуемого качества, совмещая передовые методы фотоники, непрерывного переменного квантового кодирования и экспериментальной квантовой оптики.
В заключение, созданная платформа демонстрирует зрелость квантовой фотоники как технологической эпохи и задает новый вектор развития для отказоустойчивых, масштабируемых и практически реализуемых фотонных квантовых систем, что может радикально изменить отрасль компьютерных технологий и информационной безопасности в ближайшее десятилетие.
