Квантовые вычисления стремятся изменить наше понимание информационных технологий, используя квантовые эффекты для решения задач, недостижимых классическим компьютерам. Одним из ключевых аспектов в развитии этой области является создание надежных и масштабируемых квантовых битов — кубитов. Особое внимание привлекает семейство кубитов, закодированных в оптических режимах, известных как кубиты Готссмана–Китаева–Прескилла (GKP). Новейшие достижения в интегрированной фотонике позволяют впервые получать такие кубиты на компактной и эффективной основе, что задаёт фундамент для будущих масштабируемых квантовых систем. Кубиты GKP были предложены как способ кодирования квантовой информации в бесконечномерных гильбертовых пространствах гармонических осцилляторов, к которым относятся оптические моды.
Главное преимущество такого кодирования заключается в возможности осуществлять универсальный набор квантовых операций с помощью наиболее простых оптических компонентов — фазовых сдвигов, делителей луча и гомодинных детекторов. Этот подход обеспечивает детерминированное выполнение операций, снижает необходимость в сложных нелинейных элементах и делает возможным функционирование при комнатной температуре, что существенно упрощает эксплуатацию. До недавнего времени реализация оптических GKP кубитов сталкивалась с значительными трудностями, так как существующие методы базировались на громоздких свободно-пространственных оптических установках. Такие методы плохо масштабируются, требуют сложной настройки и дают низкую стабильность, что ограничивает их применение в промышленном масштабе. Новая технология предлагает интегрирование всего необходимого фотонного оборудования на одном кремниевом фотонном чипе с использованием многоуровневой платформы на основе нитрида кремния.
Это обеспечивает крайне низкие потери света, стабильное управление параметрами и совместимость с промышленными стандартами производства. В основе эксперимента лежит генерация четырёх режимов одномодовых сжатых состояний света посредством резонансно усиленного процесса спонтанного четырёхволнового смешивания (SFWM) в специально сконструированных микрокольцевых резонаторах. Такой подход обеспечивает до 10 децибел сжатия — показатель, важный для качества будущих GKP кубитов. Далее эти режимы объединяются в программируемом линейном оптическом интерферометре, который создаёт необходимую запутанность, а специфические наблюдаемые паттерны в нескольких детекторах с разрешением по числу фотонов служат условиями геральдирования — подтверждением успешного создания искомого кубита. Использование супертехнологичных детекторов с переходным ребром (Transition Edge Sensors) с эффективностью до 99.
8% позволяет точно измерять количество фотонов, необходимое для успешного создания GKP состояний. Это высокое качество детектирования существенно повышает надёжность и качество создаваемых квантовых состояний, приближая эксперимент к порогу, необходимому для реализации устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Полученные GKP состояния обладают ключевыми характеристиками для применения в масштабируемых квантовых компьютерах. Они демонстрируют чёткую структуру с несколькими разрешимыми пиками в координатных и импульсных квадраторах, а также содержат ударные негативные области в функции Вигнера, что свидетельствует о выраженной негауссовости — важном ресурсе для универсальных квантовых операций. Результаты показывают наличие решётки из 3×3 таких пиков, что обеспечивает необходимую устойчивость к ошибкам и предотвращает деградацию кубитов при передаче и обработке.
Оптимизация параметров интерферометра и уровня сжатия позволила достигнуть вероятности геральдирования около 0.03, что уже делает эксперимент практически применимым для дальнейшей работы и интеграции с архитектурами на основе квантового клестера. В будущем планируется масштабировать устройство, используя массивы таких фотонных источников, которые будут сообща генерировать необходимые для вычислений состояния с высокой надёжностью и эффективностью. Важным направлением развития технологии является сокращение оптических потерь на всех этапах — от генерации сжатого света до детектирования. Текущие значения передачи в диапазоне 78–82% позволяют создавать высококачественные GKP кубиты, однако для достижения порогов устойчивой квантовой обработки нужны потери менее 1%.
Исследования показывают, что улучшение до передачи свыше 99,5% позволит создавать кубиты с эффективным сжатием свыше 9,75 дБ, что соответствует требованиям для реализации полноценной корректировки ошибок и масштабируемости. Разработка этой технологии — существенный шаг к практическому фотонному квантовому компьютеру, который сможет работать при комнатной температуре и использует массово производимые кремниевые чипы. Использование фотонных GKP кубитов сочетает в себе преимущества оптических коммуникаций — скорость, лёгкость интерконнекта и масштабируемость — с надёжностью кодирования, присущей квантовым кодам. Это открывает перспективы для интеграции квантовых вычислений с существующими телекоммуникационными системами и для быстрого распространения квантовых сетей нового поколения. Развитие этой технологии поддерживается использованием современных методов стабилизации лазеров и интерферометров, применением фазовых замков и управлением резонансами микрокольцевых резонаторов, что гарантирует высокую стабильность и возможность длительной работы устройства.
Кроме того, применение встроенных программируемых элементов позволяет адаптировать параметры под конкретные задачи, расширяя функциональность платформы. В целом, интегрированный фотонный источник кубитов Готссмана–Китаева–Прескилла символизирует новый этап в развитии квантовых технологий. Он придаёт импульс реализации масштабируемых, устойчивых и высокопроизводительных квантовых систем на оптической платформе. Благодаря сочетанию низких потерь, высокой эффективности детекторов и продвинутых методов синтеза квантовых состояний, эта технология способна стать основой для будущих фотонных квантовых компьютеров, которые возможно будут использоваться для решения сложнейших задач в науке, криптографии, моделировании молекул и других сферах. Путь к полноценному применению интегрированных GKP источников заключается в дальнейшей оптимизации компонентов, снижении технических шумов и расширении архитектур с учётом концепций выращивания и умножения кубитов — техники, позволяющей повышать качество состояний путём последовательной обработки и слияния.
Такими свойствами обладает предложенный в недавних исследованиях подход, базирующийся на методах многообъемной оптической интерференции и использовании широкого класса измерительных шаблонов. Таким образом, интегрированные фотонные источники кубитов Готссмана–Китаева–Прескилла открывают путь к синтезу квантовых состояний с характеристиками, необходимыми для реализации универсальных, устойчивых и масштабируемых квантовых вычислительных систем. Это важный технический прорыв, который обещает кардинально изменить ландшафт квантовой информатики и приблизить era практических квантовых технологий.
