Квантовые вычисления стремительно развиваются, демонстрируя потенциал для решения задач, с которыми классические компьютеры справляются с огромными трудностями. Одним из ключевых аспектов создания полноценного квантового процессора является реализация высококачественных кубитов, устойчивых к ошибкам и способных к масштабированию. В этом контексте кубиты, основанные на состоянии Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), представляют собой одну из наиболее перспективных кодировок для фотонных квантовых компьютеров. Недавние достижения в интегрированных фотонных технологиях сделали возможным создание оптических GKP-квбитов на едином чипе, что значительно приближает будущее практических квантовых устройств. Кодировка кубита с помощью состояний GKP обладает уникальными преимуществами перед традиционными способами.
В отличие от дискретных квантовых состояний, GKP-квбиты реализуются через коды, основанные на фазовом пространстве непрерывных переменных. Такие состояния формируются на базе плотных решеток в фазовом пространстве, обеспечивая высокую устойчивость к Gaussian-ошибкам, таким как ограниченные потери или флуктуации фазовых параметров. Благодаря этому, операции с GKP-квбитами могут выполняться с использованием строгих, детерминированных и совместимых с комнатной температурой методов (например, при помощи гомодинного детектирования и пассивных линейных элементов), что упрощает техническое воплощение их на практике. До недавнего времени большинство экспериментов с подготовкой оптических GKP-состояний ограничивались использованием громоздких оптических систем со свободными пространственными компонентами. Такая конфигурация создавала серьезные преграды для масштабирования технологий, поскольку управление оптическими пучками в свободном пространстве отличается высокой чувствительностью и требовательностью к стабильности.
Ведущие научные коллективы сделали существенный прорыв, воплотив синтез GKP-квбитов на ультранизкопотерьном интегрированном фотонном чипе, созданном на платформе многослойного нитрида кремния. Это не просто улучшение компонентов — фундаментальное открытие, которое изменяет взгляды на возможность создания массовых фотонных квантовых систем. В основе технологии лежит использование феноменов спонтанного четырёхволнового смешивания, усиленного резонансными эффектами на массиве микрокольцевых резонаторов, объединённых в фотонную молекулу. Такой дизайн служит для обеспечения генерации одномодовых вакуумных сжатых состояний с высокой степенью сжатия. Благодаря программируемому интерферометру на чипе четыре таких сжатых состояния сливаются в многомодовое запутанное состояние, после чего три из выходных мод анализируются с помощью детекторов с разрешением по числу фотонов, основанных на переходной краевой температуре.
Только при обнаружении определённого шаблона фотонов происходит герольдинг, то есть условное приготовление искомого GKP-состояния в оставшемся необследованном моде. Применение переходных краевых сенсоров с эффективностью, близкой к 99,9%, обеспечивает точное разрешение по числу фотонов и повышает вероятность успешного герольда, что позволяет добиться стабильного создания GKP-квбитов с качеством, необходимым для построения толерантных к ошибкам систем. Кроме того, сама структура чипа устроена так, чтобы свести к минимуму оптические потери — ключевой параметр, влияющий на качество создаваемых состояний. Уровень потерь был снижен до 18-22%, что уже приближает эксперимент к порогу эффективной сжатости, необходимой для достижения режимов с высокой степенью отказоустойчивости. Реализованный GKP-квбит демонстрирует важные структурные признаки.
В обеих квадратах — импульсной и координатной — наблюдается не менее четырёх хорошо разрешимых пиков распределения вероятностей, что характерно для качественного приближения к идеальным состояниям, а в функции Виглера выявляется сеточная структура отрицательной области, что свидетельствует о сильно выраженном негневом характере квантового состояния, необходимом для универсальной квантовой обработки. Эти признаки важны, поскольку они напрямую связаны с возможностью реализации устойчивого кодирования квантовой информации и выполнением корректирующих операций. Платформа, используемая для изготовления фотонных чипов, основана на современных технологиях полупроводникового производства на 300-миллиметровых нитридкремниевых пластинах. Такой подход обеспечивает не только низкие потери и высокую однородность устройств, но и открывает путь к массовому производству, что принципиально важно для создания масштабируемых квантовых вычислительных систем. Одновременная интеграция источников сжатого света, программируемых интерферометров, фильтров и выходных интерфейсов с волоконной связью демонстрирует прогресс в системной инженерии фотонных квантовых устройств.
В работе использован уникальный подход к генерации и героянтингу GKP-состояний с помощью концепции хаотичного многомодового сферического выбора фотонов (Gaussian Boson Sampling), где точные настройки уровней сжатия и параметры интерферометра программируются для оптимального синтеза квантовых состояний. Такая реализация показывает, что адаптация алгоритмической части к реальным физическим параметрам установки позволяет создавать среди множества возможных выходных состояний именно те, которые имеют необходимые характеристики для применения в квантовой вычислительной архитектуре. Дальнейшее развитие технологии предусматривает снижение потерь на стадиях создания и детектирования, а также повышение устойчивости к шуму. Если эффективность трансмиссии удастся увеличить выше 99,5%, что достижимо с развитием интеграции и улучшением упаковки компонентов, спектр герольдинговых событий с большим числом фотонов станет доступен, а качество синтезированных GKP-государств будет превышать порог толщины, требуемый для построения полных отказоустойчивых фотонных квантовых компьютеров. В дополнение к техническим достижениям, важным аспектом является понимание теоретической базы и внесение новых методов кодирования и коррекции ошибок, приспособленных к особенностям фотонных GKP-квбитов.
Комбинация интегрированных источников, оптимизированных детекторов и программируемых интерферометров создаёт технологическую платформу, на которой возможно реализовывать более сложные этапы квантового вычисления, включая создание кластерных состояний и применение многоуровневых протоколов исправления ошибок. Перспективы применения фотонных GKP-квбитов выходят за рамки вычислений. Их высокая устойчивость к шумам и способность к детерминированной реализации универсального набора квантовых операций делают их привлекательными для задач в области квантовой коммуникации, например, для создания квантовых повторителей и высокоточной квантовой сенсорики. Расширение масштабов и повышение качества источников позволит внедрять такие технологии в распределённые вычислительные сети и системы обмена защищённой информацией. Интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляет собой революционный шаг в развитии фотонной квантовой технологии.
Он сочетает в себе последние достижения в области материаловедения, микрофабрикации и квантовой оптики, позволяя создавать устойчивые и масштабируемые квантовые состояния света на единой чиповой платформе. В итоге это усиливает потенциал построения широкомасштабных, отказоустойчивых фотонных квантовых вычислительных систем, открывая новые горизонты для науки и промышленности в эру квантовых технологий.
