В последние десятилетия квантовые вычисления превратились из чисто теоретической концепции в область интенсивных исследований и разработок с целью создания практических устройств, способных значительно превзойти классические компьютеры в решении определённых задач. Одним из наиболее перспективных направлений является фотонная квантовая информатика, использующая свойства света для хранения и обработки квантовой информации. Ключевым элементом в этой области является создание качественных квантовых состояний, позволяющих надёжно кодировать кубиты и реализовывать сложные квантовые операции. Одним из таких способов кодирования является использование состояний Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), обладающих уникальными свойствами для устойчивой квантовой обработки информации. Исторически создание оптических GKP-состояний было связано с рядом сложностей.
Ранее успешные демонстрации опирались на свободно-пространственные оптические компоненты, что серьёзно ограничивало масштабируемость и практическое применение таких систем. Практическая реализация больших квантовых сетей требует компактных, интегрированных и малошумных источников, способных стабильно и эффективно генерировать необходимые квантовые состояния. В этом контексте появляется важный прорыв — демонстрация интегрированного фотонного источника GKP-кубитов, построенного на основе ультранизко потерянных фотонных чипов на платформе кремний-нитрида. Принцип работы новой интегрированной системы основан на использовании нелинейных оптических процессов, в частности спонтанного четвёртого-волнного смешивания, интенсивно усиливаемого в микро-резонаторах. Такой подход позволяет генерировать сжатые вакуумные состояния с высокой степенью сжатия и на единственном модовом состоянии.
Четыре таких режима проходят через программируемый линейно-оптический интерферометр, где сложным образом запутываются. Далее три из них подвергаются постдетекции при помощи высокоэффективных детекторов с разрешением по числу фотонов — переходных крайних датчиков, работающих при криогенных температурах. Совокупность настроек интерферометра, уровня сжатия и паттерна детектирования служит для геральдирования (отметки готовности) искомого GKP-состояния в оставшемся, четвёртом выходном моде. Данная технология отличается высочайшей точностью и воспроизводимостью получаемых состояний. В ходе экспериментов были зафиксированы ключевые признаки, характерные для GKP-кодирования: наличие как минимум четырёх чётко разрешимых пиков в обеих координатах фазового пространства и выраженная периодическая структура с негативными областями функции Вигнера, формирующая двумерную решётку разного вида, например прямоугольную или гексагональную.
В частности, состояние, геральдируемое определённым паттерном регистрации, иллюстрировало 3×3 сетку негативных пиков, что является критерием высокой немногоковости (негативности функции Вигнера) — одном из ключевых ресурсов для универсальной квантовой обработки. Особенность нового подхода заключается в возможности использования стандартных фотонных компонентов, работающих при комнатной температуре, что кардинально упрощает интеграцию и масштабирование систем. Дополнительно, благодаря инфраструктуре производства — 300 мм кремний-нитридных пластин с оптимизированными процессами — достигается ультранизкое распространение оптических потерь и высокая стабильность, что является критичным для удержания квантового когерентного состояния. Метрики качества созданных GKP-стейтов основываются на расчетах значений стабилизаторов — дискретных сдвигов положения и импульса в фазовом пространстве, которые определяют кодовое пространство. Полученные экспериментальные данные показывают, что значения ожиданий стабилизаторов значительно превосходят пределы, доступные для чистых гауссовых квантовых состояний, что подтверждает получение реально немногоковых структур, необходимых для подавления ошибок квантового кода.
Принципиально важным фактором является устранение потерь оптического сигнала на всех стадиях: от генерации до измерения. На текущем этапе пропускание в системе составляет около 78–82%, что пока ограничивает качество генерируемых GKP-состояний. Однако моделирование показывает, что при достижении уровня пропускания свыше 99,5% можно получить состояния с эффективным сжатием превышающим 9,75 дБ, что является порогом необходимым для реализации Fault-Tolerance — обеспечение корректной работы квантовых алгоритмов несмотря на ошибки и шумы. В дополнение к архитектуре с четырьмя режимами, исследователи рассматривают возможность использования устройств с меньшим количеством режимов, которые при применении методов мультиплексирования и постобработки (так называемому breeding) способны достигать необходимого уровня качества и вероятности генерации GKP-стейтов с меньшими требованиями к порогам потерь. Это открывает путь к масштабируемым, многоисточниковым системам, способным создавать сложные квантовые многомодовые состояния для построения кластерных состояний в схемах измерений, направленных на квантовое вычисление.
Технологический аспект эксперимента включает также сложную систему стабилизации фаз, реализацию которой обеспечивают несколько лазеров с фиксацией частоты и фазового сдвига через фазовую блокировку и спектральные установки. Это гарантирует высокую воспроизводимость формы сжатого состояния и управляемость интерферометра в реальном времени с точностью порядка нескольких градусов стандартного отклонения по фазе. Детекторы с разрешением по числу фотонов — ключевой элемент в постановке геральдирования исключительных квантовых состояний. В этом проекте применены улучшенные переходные крайние датчики, позволяющие достигать детектирующих эффективностей до 99,89%. Их конструкция учитывает пакетирование оптики, большие зоны приёма и минимизацию электроники шума, что обеспечивает исключительную точность регистрации, необходимую для реализации протоколов с высоким уровнем контроля.
