Развитие квантовых вычислений неразрывно связано с поиском эффективных, масштабируемых и устойчивых способов кодирования информации на уровне квантовых битов или кубитов. Среди множества подходов особое внимание привлекают квантовые состояния, известные как кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP). Они представляют собой способ кодирования информации в бесконечномерном гильбертовом пространстве фотонных мод, что значительно расширяет возможности квантовых вычислительных архитектур по сравнению с традиционными двухуровневыми системами. Квантовые вычислительные архитектуры на базе фотоники обладают неоспоримыми преимуществами — они работают при комнатной температуре, хорошо масштабируются и легко интегрируются в современные оптические коммуникационные системы. Однако ключевым вызовом оставалась проблема генерации высококачественных GKP кубитов непосредственно в оптической области, способных обеспечить необходимую устойчивость к ошибкам для реализации применимых квантовых алгоритмов и протоколов.
Ранее эксперименты по формированию GKP состояний базировались преимущественно на свободно-пространственных оптических компонентах, что существенно ограничивало их масштабируемость и применимость. Необходим был переход на интегрированные платформы, способные обеспечить высокой стабильностью, повторяемостью и интеграцию с другими фотонными элементами на чипе. Новейшее исследование, проведенное компанией Xanadu Quantum Technologies и опубликованное в авторитетном научном издании Nature в 2025 году, знаменует собой прорыв в этой области. Именно в этом исследовании впервые был продемонстрирован интегрированный фотонный источник для генерации GKP кубитов на базе кремния нитрида, изготовленный с использованием передовых 300-мм полупроводниковых технологий. Используя уникальную платформу с ультранизким уровнем потерь и настраиваемым многомодовым оптическим интерферометром, ученым удалось синтезировать четыре отдельные одно модовые сжатые состояния света, которые затем были запутаны посредством линейной оптики.
Ключевым моментом стало использование резонансно усиленного спонтанного четырёхволнового взаимодействия (SFWM) в массиве микрорезонаторов фотонного молекулярного дизайна. Такое решение позволило подавить нежелательные нелинейности и эффективно генерировать требуемые сжатые вакуумные состояния пульсирующего света с уровнем сжатия до 10 дБ, что является высокими параметрами для интегрированных устройств. Далее три выходных физических моды прошли через настраиваемые фильтры и получили регистрацию на сверхчувствительных детекторах с разрешением по числу фотонов — переходных краевых сенсорах (TES), достигающих эффективностей до 99,89%. При соответствующих схемах считывания и гейтинга дескрипторы состояния трех модов позволяли геролдировать (подтверждать) появление искомого GKP состояния в четвертом выходном моде. Такая селективная пост-выборка обеспечивала рекордно высокую фиделити результата на фоне существующих аналогов.
Основные показатели качества получаемых GKP-состояний включали наблюдение минимум четырех раздельных пиков распределения квантовых вероятностей как по позиционной, так и по импульсной кватурам, а также отчетливый латынь с отрицательными регионами функции Вигнера, демонстрирующих сильную негуссовость созданных состояний. Такой характер функционала является необходимым условием для реализации алгоритмов с квантовой устойчивостью и ошибкоустойчивостью на базовом уровне. Технически для управления системой использовались стабильные лазерные источники с фазовой и частотной стабилизацией, что позволяло синхронизировать импульсы и обеспечивало повторяемость эксперимента с частотой 200 кГц. Использовались электрические пакеты и волоконная оптическая сигнализация для фильтрации, распределения мощности и настройки параметров микрорезонаторов. Благодаря этому стало возможным получать достаточно высокую вероятность успешной генерации кубитов GKP, несмотря на абсолютную сложность фотонных операций и издержки на потери.
Сегодняшнее достижение подчеркивает, что комбинирование интегрированных фотонных технологий с современными сверхчувствительными детекторами и оптимизированными схемами нелинейной оптики открывает двери для масштабируемой архитектуры оптических квантовых процессоров. Такая архитектура обещает не только удобство в массовом производстве за счет технологической совместимости с традиционными кремниевыми фабриками, но и перспективы интеграции огромных массивов кубитов, необходимых для практического квантового превосходства. Прямое применение GKP кубитов выходит далеко за рамки только квантовых вычислений. Их особенности делают их привлекательными для квантовой коммуникации, где устойчивость к ошибкам и возможность интеграции в существующие волоконно-оптические сети крайне важны. Также GKP коды способны повысить чувствительность квантовых сенсоров и интерферометров, способствуя развитию новых методов точных измерений в науке и промышленности.
Экспериментальная разработка системы была поддержана серьезными инженерными достижениями в области низкопотерьного проектирования фотонных компонентов. Использование многослойных структур SiN, продвинутые методы фильтрации с использованием ассиметричных интерферометров Маха-Цендера помогли снизить нежелательные шумы и гарантировали чистоту генерируемых квантовых состояний. Фотонные молекулы в качестве резонаторных элементов позволили эффективно подавлять паразитные нелинейные процессы, укрепляя стабильность и качество генерации. Одна из главных проблем в области реализаций GKP состояний — оптимизация баланса между уровнем сжатия и потерями, а также необходимость высокой эффективности детектирования для геролдирования требуемых сложных состояний. В данном исследовании сделан важный шаг благодаря использованию специально оптимизированных TES с эффективностью, превосходящей 99%, что значительно повышает общую производительность.
В комбинации с минимальными потерями в системе (общей эффективностью на уровне 78-82%) это позволило достичь состояния с почти 0,62 дБ эффективным симметричным сжатием, что превосходит пределы, достижимые простыми Gaussian состояниями. Немаловажным является также то, что архитектура и подход к генерации GKP состояний, представленная в эксперименте, уже предусматривает возможность масштабирования. Существуют предложения к применению стратегий мультиплексирования и «разведения» состояний, что позволит повысить вероятности генерации, качество и устойчивость к потерям в больших системах с тысячами и миллионами источников. Кроме того, возможные программируемые преобразования с помощью Gaussian операций позволят адаптировать вывески состояний для конкретных информационных задач. Перспективы развития этой области предполагают дальнейшее снижение оптических потерь на уровне компонентов и упаковки, улучшение детекторов, а также интеграцию дополнительных элементов для пост-обработки квантовых состояний, таких как проведение фильтрации и коррекции ошибок непосредственно на чипе.
Такой комплексный подход приблизит квантовые фотонные вычислительные машины к практическому и коммерчески жизнеспособному воплощению. Таким образом, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill становится центральным элементом следующего поколения квантовых вычислительных платформ, объединяя лучшие достижения современной фотоники, материаловедения и квантовой физики. Эти исследования демонстрируют, что путь к практическому квантовому превосходству связан именно с инновациями в создании и контроле квантовых состояний света, которые могут быть масштабированы и встроены в информационные системы будущего.
