Современные технологии квантовых вычислений претерпевают стремительное развитие, и одной из наиболее перспективных областей являются фотонные квантовые системы. В их основе лежит использование света как носителя информации и логических операций. Однако, чтобы построить действительно полезный квантовый компьютер на фотонной платформе, требуется надёжный и масштабируемый способ генерации квбитов с высокой степенью устойчивости к ошибкам. Одним из наиболее многообещающих подходов является использование кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), которые уникальным образом кодируют квантовую информацию в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптического режима. Эта технология позволяет реализовать универсальный набор квантовых операций с помощью детерминированных, комнатно температурных гауссовых преобразований, что значительно упрощает аппаратную реализацию квантовых алгоритмов.
Несмотря на теоретическую привлекательность GKP-кодирования, до недавнего времени практическая генерация таких состояний света была серьёзной проблемой. Ранние эксперименты по созданию оптических GKP-состояний основывались на дорогих и хрупких системах со свободными оптическими компонентами, что затрудняло масштабирование и интеграцию в промышленные решения. Ключевым нововведением стал переход к интегрированным фотонным микросхемам с ультранизкими оптическими потерями, выполненным на специализированных 300-миллиметровых кремний-нитридных платах. Такой подход не только обеспечивает стабильность и воспроизводимость работы, но и открывает путь к массовому производству сложных квантовых устройств. Конструкция микросхемы включает в себя несколько узлов одновременной генерации однофотонных сжатых состояний и их интерференции на программируемом линейном оптическом интерферометре.
Сигналы с трёх выходных портов подвергаются детектированию с помощью сверхчувствительных переходных детекторов сопротивления с разрешением по числу фотонов, что обеспечивает точное опознавание шаблонов фотонных счётов и, как следствие, эффективный гардеринг – процесс условного создания искомых квантовых состояний на четвёртом выходном канале для последующего анализа гомодинным детектором. Использование мультиимпульсных насосных лазеров с ультракороткими импульсами, распределённых по четырём микрорезонаторам фотонной микросхемы, позволяет усилить нелинейные процессы спонтанного четверично-волнового смешивания и обеспечить стабильную генерацию сжатых вакуумных состояний с высокой степенью чистоты. Это, в свою очередь, крайне важно для получения высококачественных GKP-состояний с очевидной негауссовой структурой и видимой решётчатой структурой векторных функций Вигнера, покрывающей пространство квантовых состояний. Ключевым достижением экспериментальной работы стало подтверждение наличия в создаваемых состояниях как минимум четырёх отчетливо различимых пиков в фазовых квадратах и наличие множества областей с отрицательным значением функции Вигнера. Такие параметры свидетельствуют о высоком уровне нелинейности и пригодности состояний для реализации устойчивой квантовой обработки с коррекцией ошибок.
При дальнейшем совершенствовании технологии, в частности снижении оптических потерь в микросхеме и ее интерфейсах, ожидается достижение качественных показателей, необходимых для полноценного ошибкоресистентного режима работы квантового компьютера. Не менее важным элементом в системе является использование передовых переходных детекторов сопротивления, работающих при глубоком криогенном охлаждении. Эти детекторы отличаются исключительной эффективностью регистрации фотонов, достигая показателей выше 99%, что значительно уменьшает потери информации при процессе герлдинга состояний. Благодаря этому, объединяя интегрированную структуру с этими высокочувствительными детекторами, удалось осуществить экспериментальную генерацию GKP-кубитов с успехом порядка 30 герц при текущих параметрах, что является впечатляющим достижением для оптических систем. Тенденция интеграции фотонных компонентов на кремний-нитридных платах имеет большое значение для развития масштабируемых квантовых архитектур.
Производство на 300-миллиметровом уровне открывает двери для серийного изготовления сложных фотонных схем с низкими потерями, высокой стабильностью и управляемостью. Кроме того, применение машинного моделирования и оптимизации параметров сжатия, настройки интерферометра и алгоритмов программного контроля позволяет значительно повысить качество создаваемых квантовых состояний и гибко адаптироваться под нужды различных квантовых протоколов. Перспективы развития фотонных GKP-квбитов чрезвычайно широки. Они не только открывают путь к построению универсальных фотонных квантовых компьютеров с высокой степенью устойчивости и возможностью работы при комнатной температуре, но и находят применение в квантовой коммуникации и квантовом сенсинге. Их природная устойчивость к гауссовым ошибкам и способность к построению кластера для измерительной квантовой обработки создают фундамент для новых типов протоколов и архитектур квантового интернета.
Отдельное внимание заслуживает возможность подключения множества таких источников GKP-квбитов в массивы для формирования масштабных и индустриальных квантовых вычислительных машин. Использование модульного подхода, в котором отдельные интегрированные чипы служат генераторами и предварительными узлами распределения квантовой информации, позволяет обойти существующие ограничения, связанные с вероятностным характером генерации и эффективностью герлдинга. Интеграция с современными методами мультиплексирования и «скрещивания» (breeding) кубитов позволит повысить вероятность успешного получения необходимых состояний и упростить архитектуру машин в целом. Текущие достижения показывают, что при дальнейших улучшениях в минимизации оптических потерь, совершенствовании технологии интегрированных микросхем, развитии детекторов и методах контроля фазового пространства доступна реализация стабильных, высококачественных GKP-квбитов, удовлетворяющих критериям для построения полноценных устойчивых к ошибкам фотонных квантовых компьютеров. Такой прорыв станет важным шагом на пути от лабораторных демонстраций к промышленно применимым квантовым технологиям.
В заключение, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляет собой инновационное технологическое решение с огромным потенциалом. Он соединяет передовые методы нелинейной фотоники, высокоточной квантовой детекции и программного управления для создания квантовых состояний, способных кардинально изменить возможности квантовых вычислительных систем. Появление таких источников позволит перейти к новому этапу массового производства квантовых устройств и существенно приблизит эпоху цифрового суперкомпьютера, работающего на принципах квантовой механики.
