Развитие квантовых вычислений, основанных на фотонных технологиях, представляет собой одно из самых перспективных направлений современной науки и техники. Ключевая задача в этой области — создание высококачественных квантовых состояний, которые способны кодировать кубиты с необходимой степенью устойчивости к ошибкам. Одним из самых многообещающих подходов является использование так называемых кубитов Готтесмана–Китаева–Прескила (GKP). Эти состояния обладают уникальной структурой и обеспечивают возможность выполнения универсального набора квантовых операций при помощи относительно простых и стабильных элементов: гауссовских преобразований, таких как балки, фазовые сдвиги и гомодинные измерения. Такой метод значительно облегчает реализуемость крупных и сложных квантовых схем, особенно если учитывать, что многие квантовые gate-операции, необходимые для универсального квантового компьютера, становятся определёнными и детерминированными именно для GKP кубитов.
Само по себе создание и манипуляция GKP-состояниями в оптической системе — задача нетривиальная. Чтобы надежно сгенерировать эти нелинейные и негауссовские квантовые состояния, необходимы специальные методы, сочетающие нелинейные оптические процессы и детекторы с разрешением по количеству фотонов. Традиционные эксперименты часто полагались на свободно-пространственные оптические компоненты, что ограничивало масштабируемость и стабильность системы. Последние достижения в области интегрированных фотонных технологий, однако, кардинально меняют ситуацию. Интегрированные фотонные чипы, особенно разработанные на базе кремний-нитридных (SiN) платформ, предоставляют возможности для создания компактных, стабильных и обратимых схем, способных выполнять высокодинамичные функции со сверхнизкими оптическими потерями.
Именно на такой основе группы в рамках недавних исследований продемонстрировали первый интегрированный источник GKP кубитов в оптическом диапазоне на длине волны 1550 нм — стандартном диапазоне для телекоммуникаций, что дополнительно облегчает совместимость с существующей волоконной инфраструктурой. Ключ к созданию таких состояний лежит в технологии спонтанного четырехволнового смешивания (SFWM), осуществляемого внутри интегрированных фотонных молекулярных резонаторов, представляющих собой комплекс микрокольцевых резонаторов с тщательно подобранными параметрами, устраняющими паразитные нелинейные процессы. Такой подход позволяет производить одиночные сжатые моды света, которые далее смешиваются в программируемом линейно-оптическом интерферометре чипа, формируя многоуровневые нелинейные кет-стейты, среди которых и GKP. Для геролдинга, или условного выделения нужного состояния, использовались сверхвысокочувствительные детекторы переходного edge-состояния (TES), способные с разрешением по числу фотонов определять паттерны фотонного выстрела с эффективностью свыше 99%. Само экспериментальное устройство работает на частоте повторения 200 кГц, что обеспечивает приемлемую скорость синтеза квантовых состояний, а после тщательного отбора и обработки данных в режиме гомодинного детектирования была проведена томография состояний, позволяющая получить полное квантовое описание генерируемых GKP кубитов.
Результаты показывают наличие необходимых для отказоустойчивого квантового кодирования характеристик: формирование как минимум четырёх отдельных пиков в распределениях квантовых возбуждений по квадраулам положения (q) и импульса (p), а также отчетливую структуру W-функции Вигнера с чередованием положительных и отрицательных областей, образующих двумерную сетку, что является признаком немалой негaуссовости и квантовой корреляции в состоянии. Примечательно, что различные шаблоны геролдинга улавливали не только стандартные прямоугольные GKP-коды, но также и более сложные решетки — гексагональные и иные, что открывает путь к гибкому кодированию и обработке информации в пределах одной платформы. Одним из главных ограничивающих факторов качества и эффективности таких систем сегодня остаются оптические потери, включая пропускную способность на пути от генерации до детектирования и технические ограничения интерферометров. Тем не менее, разработчики показали, что при дальнейшем совершенствовании технологий — в частности, снижении потерь до уровня выше 99.5% передачи — можно достичь параметров, удовлетворяющих строгим требованиям к эффективному сжатию и стабилизирующим полям, необходимым для работы квантовых вычислительных машин с коррекцией ошибок и высокой степенью надежности.
Масштабируемость данного подхода подкрепляется использованием стандартных 300-миллиметровых кремний-нитридных ваферов, что соответствует большим мощностям промышленного фотонного производства создания чипов, и высокоэффективного люкоплания для интеграции с оптическими волокнами и электромеханическими управляющими элементами. Такая интеграция важна, поскольку для создания рабочих квантовых компьютеров необходимо объединение миллионов источников кубитов и сетей оптических каналов. Важным аспектом успешной реализации фотонных GKP кубитов служит их совместимость с операциями при комнатной температуре, за счет того, что большинство Gaussian операций, необходимых для управления кубитами, реализуются оптическими элементами с очень низкими требованиями к охлаждению. В то же время, для геролдинга и регистрации состояний требуются детекторы, работающие при дииалогических температурных режимах, что является областью интенсивной разработки и совершенствования. Заложенные в эксперимент концепции позволят в будущем реализовать более продвинутые схемы с использованием мультиплексирования, управляющих цепочек и стадий усреднения (breeding), что повысит как надежность, так и масштабируемость систем.
Кроме того, технологии интегрированных фотонных источников GKP высокоценны также для квантовой коммуникации и квантового сенсинга, предоставляя устойчивые к шуму и помехам коды для передачи и обработки квантовой информации на дальние расстояния. В результате, появление интегрированных источников фотонных кубитов Готтесмана–Китаева–Прескила на базе кремний-нитридных платформ существенно продвинуло сферу практических квантовых вычислений, открыв возможности для строительства более надежных, масштабируемых и функционально гибких квантовых машин. Текущие достижения послужат фундаментом для разработки полноценных фотонных квантовых архитектур, готовых к промышленному внедрению и интеграции с существующими линейно-оптическими компонентами. Таким образом, сфера интегрированных фотонных квантовых технологий вступает в новую эру, где качества и управляемости генерируемых квантовых состояний, их совместимости с масштабируемыми схемами и стабильности работы на протяжённой экспериментальной базе становится достаточно для преодоления основных барьеров на пути к реальному квантовому превосходству.
