Квантовые вычисления представляют собой одну из самых революционных технологий XXI века, способную изменить подходы к обработке данных, обеспечению безопасности и моделированию сложных систем. Одной из ключевых задач в реализации практичных квантовых компьютеров является создание надежных и масштабируемых квантовых битов, или кубитов. В частности, фотонные кубиты, использующие свойства света, привлекают внимание за счет своей природной быстрой передачи информации и совместимости с существующими оптическими технологиями. В этой области огромный интерес представляет класс кубитов, разработанных Готтесманом, Китаевым и Прескиллом, известный как GKP кубиты. Они обеспечивают уникальные преимущества для реализации устойчивой квантовой обработки и обладают рядом критически важных свойств для построения масштабируемых квантовых систем.
Недавнее достижение связано с созданием интегрированного фотонного источника таких кубитов на базе кремниевого нитрида с использованием сложных технологий и передовых детекторов. Это открывает новый этап в развитии фотонных квантовых технологий и требует глубокого рассмотрения принципов работы, экспериментальных результатов и дальнейших перспектив развития. Фундаментальной проблемой фотонных квантовых архитектур является преобразование классического оптического излучения, исходящего от источников типа лазеров, в неклассические состояния света, которые служат носителями квантовой информации. Среди наиболее распространенных и хорошо изученных способов генерации таких состояний — нелинейные оптические процессы, включая спонтанное параметрическое понижение частоты и четырехволновое смешивание. Они производят исходные сжатые вакуумные состояния, которые в дальнейшем могут трансформироваться в более сложные кубит-ориентированные состояния при помощи современных схем интерференции и количественного измерения фотонов.
Традиционные методы квантовых вычислений на основе линейной оптики подразумевают использование двухжелобковых кубитов с единичной фотонной нагрузкой, получаемой при помощи слабого накачивания нелинейных источников и условной регистрации одиночных фотонов. Хотя данный подход продемонстрировал принципиальную реализуемость, его масштабирование осложняется вероятностным характером генерации фиссионных состояний и необходимостью сложных мультиплексирующих схем для повышения вероятности успешного создания кубитов. Кроме того, реализация универсального набора квантовых логических операций с такими кубитами часто требует криогенных условий и замедляет практическую интеграцию. GKP кубиты, реализованные в непрерывных переменных оптического поля, предоставляют элегантное решение этих проблем, используя бесконечномерное гильбертово пространство одной моды света для кодирования дискретной квантовой информации. Благодаря особой структуре состояний — решетчатых в квантовом фазовом пространстве с хорошо определенными пиками в координатной и импульсной квантовых переменных — эти кубиты позволяют детерминировано выполнять клайфордские операции используя только гауссовские элементы, такие как фазовые сдвиги, разделители луча и гомодинные измерения, что значительно упрощает архитектуру квантового компьютера.
Магические состояния необходимы для реализации универсума и достигаются вне класифордского набора операций. Помимо вычислительных преимуществ, они обладают природной устойчивостью к ошибкам, возникающим в процессе затухания и помех, что делает их отличными кандидатами для построения длительно работающих, физических квантовых компьютеров. До недавнего времени оптические GKP состояния генерировались с помощью громоздких и дорогостоящих свободно-оптических элементов, что затрудняло их масштабирование и промышленное внедрение. Впервые в мире была продемонстрирована интеграция технологии на кремниевой плате с низкими потерями, способной создавать такие квантовые состояния непосредственно на чипе. Основой стала многоуровневая платформа из кремниевого нитрида с диаметром пластин 300 мм, что соответствует современным полупроводниковым производственным стандартам.
В сочетании с волоконно-оптическими интерфейсами и высокоэффективными детекторами разрешения количества фотонов, основанными на переходных Edge-сенсорах, была достигнута прорывная производительность по качеству и надежности генерируемых кубитов. Экспериментальная установка базируется на принципе четыре-модового гауссовского бозонного сэмплинга, когда четыре высокосжатых одиночных моды света интерферируют при помощи программируемого линейного интерферометра. Последующее измерение трех из четырех выходных портов с помощью детекторов, обладающих разрешением по числу фотонов, служит условием событийного щита — герольдения выходного кубитного состояния в оставшемся оптическом канале. Ключевыми параметрами здесь являются уровень сжатия в каждой моде, настройки интерферометра и определенная конфигурация обнаруженных фотонов. В совокупности эти факторы определяют качество и свойства полученного GKP состояния.
Используемый фотонный чип содержит четыре интегрированных резонатора фотонной молекулы, каждый из которых резонансно усиливает процесс четырехволнового смешивания с целью генерации сильно сжатых вакуумных состояний. Аргоновые нанослоистые фильтры и Mach–Zehnder интерферометры подавляют нежелательные шумовые составляющие, а спроектированная архитектура с направленными ответвителями минимизирует потери при передаче и фильтрации. Три выходных порта снабжены спектральными фильтрами и оптически соединены с переходными Edge-сенсорами, чувствительность которых достигает практически 99.9%, что является рекордом в области квантовой оптики. Четвертый выходной канал исследуется с помощью гомодинного детектора с высоким ККД для определения полного квантового состояния и оценки его качества.
Параметры эксперимента оптимизированы для выделения PNR-события с тремя фотонами в каждом из трех герольденных каналов, что обеспечивает формирование ограждаемого кубитного состояния с решетчатой структурой в фазовом пространстве и определенными пиками в распределениях по координате и импульсу. Экспериментальная вероятность успешного достижения события достигает порядка 0.03%, что при частоте повторения 200 кГц соответствует практически 30 герольд событиям в секунду. Собранные данные включают миллиарды циклов измерения, позволяя реконструировать отрицательное по значению распределение функции Вигнера в фазовом пространстве, подтверждающее наличие необходимого уровня неголоссаевости — фундаментального признака квантовых нелинейных состояний. Анализ стабильности и свойств квантового состояния показывает наличие четырех разрешимых пиков в дискретизации функции распределения в обеих квадратах (координате и импульсе), что является минимальным критерием для профилирования кубитов в режиме, совместимом с квантовой коррекцией ошибок и устойчивостью к шуму.
Измеренные значения эффективного сжатия достигают того уровня, который позволяет прогнозировать достижение границ, требуемых для работы в режиме устойчивого квантового компьютера при дальнейшем снижении потерь в оптических элементах и каналах передачи. Кроме того, эксперимент продемонстрировал гибкость установки: различные комбинации регистрируемых фотонов вызывают генерацию других интересных нелинейных состояний света, включая кошачьи состояния Шредингера и кубиты с гексагональной решеткой. Это говорит о возможности создания многофункциональных квантовых источников, которые можно использовать для различных задач квантовой информатики, от вычислений до квантовых коммуникаций и сенсоров. Перспективы развития этой технологии связаны с дальнейшим снижением оптических потерь в чипе и волоконных соединениях, что позволит достичь отметки эффективности больше 99.5%, необходимой для создания кубитов с качеством, достаточным для реализации полноценной квантовой коррекции ошибок и масштабного квантового компьютинга.
Параллельно планируется интегрировать схемы мультиплексирования, чтобы увеличить частоту успешного создания GKP кубитов и применять методы виртуальной «дообработки» — так называемого «рефайнинга» и «складывания» квантовых состояний, которые позволяют повысить качество и стабильность кубитов. С точки зрения производства использование 300-мм подложек и совместимость с CMOS-технологиями обеспечивает масштабируемость и воспроизводимость устройств, что жизненно важно для перехода квантовых компьютеров из лабораторий в коммерческую эксплуатацию. Комбинация современных производственных процессов, оптимизированных для сверхнизких потерь и высококачественной нелинейности на кремниевом нитриде, вместе с высокоэффективными и разрешающими числом фотонов детекторами, ставит фотонные GKP кубиты на передний план технологических инноваций. Таким образом, создание интегрированного источника кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла представляет собой важный шаг к реализации практичных универсальных фотонных квантовых компьютеров. Эта работа не только демонстрирует возможность генерации сложных кубитных состояний с применением промышленных фотонных платформ, но и заложила фундамент для развития масштабируемых и устойчивых квантовых систем, готовых к интеграции в будущие вычислительные и коммуникационные инфраструктуры.
Интегрированный фотонный источник GKP кубитов открывает дорогу к новым формам квантовой обработки информации, где скорость, надежность и масштабируемость становятся реальностью.
