Квантовые вычисления с каждым годом приближаются к масштабным практическим решениям, однако возникающие технологические вызовы требуют разработки более надежных и эффективных методов кодирования квантовой информации. Одним из ключевых направлений в этой области является создание высококачественных квантовых состояний света, способных служить кубитами — основными элементами квантовой информации. Недавние достижения в синтезе и интеграции фотонных источников кубитов, основанных на кодах Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), открывают новую эру развития фотонных квантовых компьютеров, совмещающих масштабируемость, устойчивость и высокую производительность при относительной простоте эксплуатации. Кубиты GKP представляют собой один из самых привлекательных методов кодирования квантовой информации в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптического режима. Преимущество таких состояний заключается в том, что они позволяют выполнять универсальный набор логических квантовых операций с использованием детерминистских и температурно-устойчивых гауссовых операций, таких как разделители, фазовые сдвиги и гомодинные детекторы.
Это значительно снижает требования к аппаратным условиям по сравнению с традиционными схемами, где необходимо наличие нелинейных элементов и сверхнизких температур. Кроме того, коды GKP обладают врожденной устойчивостью к гауссовским ошибкам и шумам, например, связанным с потерями оптического сигнала, что критически важно для реализации устойчивых и масштабируемых квантовых устройств. До недавнего времени успехи в генерации оптических GKP состояний достигались преимущественно с использованием компонентов свободно распространяющегося света — сложных, громоздких и не всегда стабильных в масштабируемых системах. Отсутствие интеграции в компактные фотонные платформы сдерживало прогресс и усложняло построение больших массивов устойчивых квантовых источников. Появление высококачественных интегрированных фотонных чипов из многослойного нитрида кремния на 300-мм пластинах принесло принципиально новые возможности в область фотонных квантовых технологий.
Такие чипы обеспечивают ультранизкие потери света, что существенно улучшает качество квантовых состояний, а также позволяют реализовывать микрорезонаторы, фильтры и программируемые интерферометры с высокой точностью и стабильностью, необходимые для генерации и манипуляции GKP кубитами. Экспериментальная реализация фотонного источника GKP кубитов включает в себя создание и управление четырьмя отдельными источниками однорежимного сжатого света, объединенных в многоцветовой (мульти-модовый) запутанный состояние с помощью линейной оптической интерференции. Ключевым элементом синтеза GKP состояний является геролдинг — способ отбора нужных состояний с помощью детекторов, обладающих разрешением по числу фотонов. В опыте использовались детекторы на основе переходных реберных сенсоров (transition edge sensors, TES), обеспечивающие сверхвысокую эффективность регистрации фотонов (до 99,89%) с возможностью точного счетного определения числа квантов света. Чип изготовлен на платформе с низкими потерями, интегрирует микрорезонаторы особой конструкции «фотонной молекулы», которые усиливают процесс спонтанного четырёхволнового смешивания — способ генерации сжатых состояний света.
Благодаря собственной архитектуре устройства и оптимизации параметров лазерных импульсов, удалось получить уровень сжатия порядка 8–10 дБ до учета потерь, что отражает высокое качество генерируемого квантового света. Наблюдение сформированных GKP состояний проводится методом гомодинного детектирования — измерения квадратур поля с помощью смешивания с опорным лазером. На основании полученных данных применяется квантовая томография и максимальное правдоподобие для реконструкции плотностной матрицы состояния и визуализации функции Вигнера, позволяющей выявить уникальную структуру этих кубитов — разрешимые пики в обеих квadrатурах и сетку отрицательных значений функции Вигнера, что является свидетельством «неклассических» природных свойств состояний. Помимо стандартного состояния для выбора искомого результата (согласно паттерну регистрации трёх чисел фотонов (3,3,3)), удалось выделить и другие полезные нечётко связанные с GKP кубитами негауссовые состояния, включая «кошачьи» состояния и GKP состояния на гексагональной решётке. Разнообразие возможных паттернов регистрации открывает потенциал для увеличения вероятности успеха создания качественных GKP состояний путем мультиплексирования и использования более широкого набора условий геролдинга.
Качество GKP состояний в эксперименте измерялось значениями стабилизаторов — операторов сдвига по квадрату и импульсу — а также эквивалентным уровнем эффективного сжатия. Хотя достигнутые показатели далеки от идеала, они уже превосходят предельные качества чистых гауссовых состояний и доступны для дальнейшего улучшения за счет снижения потерь в оптических путях, что является основной технической преградой на пути к fault-tolerant или отказоустойчивым квантовым вычислительным системам. Важное достоинство созданного прототипа — его составные технологии полностью совместимы с промышленных производством, включая 300-мм низкопотериные фотонные пластины и тесно связанные детекторы с разрешением по числу фотонов. Такая интеграция обеспечивает возможность масштабирования устройства до миллионов квантовых источников, необходимых для создания сложных кластерных состояний — универсального ресурса для измерительно-ориентированных квантовых вычислений. Путем дальнейших усовершенствований, в частности улучшения показателей пропускания в интерферометрах и системах детектирования (превышающих 99.
5%), ожидается получение состояний с эффективным сжатием более 9.75 дБ, необходимым для практической реализации коррекции ошибок и устойчивой работы квантового компьютера на основе GKP кубитов. Более того, архитектуры с использованием меньшего числа модов (двух-трёх) демонстрируют перспективы лучшей устойчивости к потерям и оптимизации вероятности успеха посредством многоходовых операций, таких как синтез состояний и адаптивное размножение (breeding). Таким образом, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill — это решающий шаг к созданию масштабируемых, надежных и эффективных фотонных квантовых вычислительных платформ. Он сочетает в себе достижения в области высокоточного микрофотонного производства, квантовой оптики и детектирования, открывая путь для практических систем, способных работать в комнатных условиях без необходимости криогенных сред, характерных, например, для сверхпроводящих квантовых компьютеров.
Преимущества такого подхода включают повышенную стабильность, компактность и потенциально низкую стоимость производства, что способствует расширению доступа к квантовой вычислительной мощности и ускорению внедрения квантовых технологий в промышленность, науку и связь. Кроме того, GKP кубиты находят непосредственные применения в оптических квантовых коммуникациях и квантовом сенсинге, расширяя горизонты использования фотонных квантовых состояний за пределы вычислений. В перспективе научно-технические усилия будут направлены на повышение качества отдельных модов и эффективности системы в целом, совершенствование упаковки, интеграцию дополнительных функциональных блоков для мультиплексирования и улучшающих качество состояний операций. Такие комплексы создадут фундамент для дальнейших прорывов в области построения компьютерных систем с устойчивостью к ошибкам и масштабируемой архитектурой, способной решать задачи, недоступные классическим вычислительным машинам. В целом, появление интегрированных фотонных источников GKP кубитов становится заглавным событием в развитии фотонной квантовой инженерии, открывая путь к полностью оптическим масштабируемым квантовым компьютерам.
Это новый этап, который сочетает в себе фундаментальные открытия с инженерными и технологическими инновациями, создавая условия для настоящей квантовой революции в информационных технологиях.
