Квантовые вычисления продолжают оставаться одной из самых перспективных областей современной науки, предлагая качественно новый уровень обработки информации по сравнению с классическими вычислительными системами. Фотонные архитектуры играют важную роль в реализации квантовых компьютеров благодаря скорости передачи информации и возможности масштабирования сетей. Однако одной из ключевых проблем в этой области является создание надежных источников квантовых состояний света, которые способны эффективно кодировать информацию в кубитах. Одним из наиболее привлекательных направлений в этой сфере стали кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), обеспечивающие устойчивое квантовое кодирование с возможностью выполнения универсального набора квантовых логических операций с помощью только гауссовых трансформаций и детерминированных методов. В отличие от традиционных подходов, основанных на одиночных фотонах, где требуется сложное мультиплексирование и детекторы, высокоточные GKP кубиты позволяют реализовать алгоритмы квантового вычисления при комнатной температуре и с большей эффективностью.
Создание GKP состояний в оптическом режиме долгое время оставалось технологическим вызовом, поскольку ранние демонстрации полагались на свободно-пространственные оптические компоненты, что ограничивало масштабируемость и сложность систем. Интегрированные фотонные чипы, изготовленные из кремниевого нитрида на 300-миллиметровых вафлях, стали прорывом в этом направлении. Такие чипы обладают ультранизкими потерями для света, что критично для сохранения квантовых свойств и повышения качества генерируемого состояния. В основе технологии лежит процесс резонансно-усиленного спонтанного четырехволнового смешивания в многорезонаторной системе, которая формирует одиночные режимы сжатого вакуума – необходимый ресурс для последующего создания GKP состояний. Благодаря тщательно разработанному дизайну фотонных молекул и интегрированным оптическим фильтрам, удаётся подавить паразитные нелинейные эффекты и обеспечить стабильное производство сжатых состояний с уровнями сжатия до 10 децибел, что является важным показателем для качества кубитов.
Ключевой этап синтеза фотонных GKP кубитов — это интерференция нескольких сжатых состояний в программируемом оптическом интерферометре и последующее фоторезольвное декодирование с помощью детекторов с разрешением по числу фотонов (PNR). В эксперименте используется четырехрежимный источник, в котором три из выходных каналов контролируются несколькими PNR-детекторами на основе переходящих краевых сенсоров с эффективностью детектирования до 99.8%, что достигается благодаря передовым технологиям производства и оптической упаковки. При наблюдении специфической комбинации на этих детекторах происходит «герральдирование» (геральдирование) нужного GKP состояния в оставшемся выходном канале, который затем подвергается гомодинному измерению для тщательной томографии и характеристики квантового состояния. Проект экспериментальной системы предусматривает высокую частоту повторения, около 200 кГц, что способствует сбору огромного объема статистических данных для восстановления плотности вероятности и визуализации функции Вигнера – пространства фазовых состояний с характерной сеткой положительных и отрицательных областей.
Наличие отрицательных областей функции Вигнера является показателем чисто квантового, неабсолютно гауссовского характера созданных фотонных состояний, а структура с несколькими разрешимыми пиками в проекциях состояний по координатным и импульсным квадратурам укладывается в рамки требований к исправлению ошибок и устойчивому квантовому кодированию по модели GKP. Специфическими особенностями полученного GKP кубита являются прямоугольная сеточная структура, стабилизированная фазовыми сдвигами по координатам q и p, а также высокий уровень эффективного сжатия в обеих квадратах, что указывает на приближенность экспериментального результата к идеальному кубиту. Согласно измерениям, удаётся получить по крайней мере четыре высокоразрешимых пика в распределениях вероятностей, что важно для достижения порога качественных параметров квантовой устойчивости и для недетерминированных протоколов исправления ошибок. Помимо фиксированного результата, важным открытием является возможность генерации ряда других комплексных состояний, включая котовские состояния Шредингера и GKP кубиты с другими типами решёток, такими как гексагональная структура. Это свидетельствует о гибкости интегрированной платформы и её потенциале для реализации различных моделей квантового кодирования с адаптацией параметров чипа и управляющих сигналов.
Постоянное снижение потерь в оптических компонентах и усовершенствование технологии упаковки и детектирования позволит в будущем увеличивать эффективность генерации высококачественных GKP кубитов, достижение показателей сжатия около 10 дБ или выше, что является критерием наступления «порога исправления ошибок», необходимого для масштабируемого и надежного квантового вычисления. Важно отметить, что интегрированная платформенная технология позволяет не только повторять такие источники в большом количестве, но и объединять их в массивы с дальнейшим мультиплексированием и итеративными алгоритмами для повышения качества выходных состояний. В основе архитектуры квантовых компьютеров с кубитами GKP лежит принцип использования бесконечномерного пространства гильбертова пространства фотонных мод для кодирования дискретных квантовых состояний, что даёт преимущества в устойчивости к ошибкам, совместимости с гауссовой обработкой и возможностями детерминированного выполнения операций. В отличие от подходов, требующих низкотемпературных условий, технология, основанная на фотонных GKP кубитах, особенно перспективна для создания устройств, работающих в обычных лабораторных условиях, существенно упрощая инфраструктуру и снижая затраты. Перспективы развития интегрированных фотонных источников кубитов GKP охватывают создание полнофункциональных модулей для запрограммированного синтеза состояний, их объединения в сетевые архитектуры и реализацию исправления квантовых ошибок на основе кластерных состояний.
Повышение стабильности, автоматизация процессов стабилизации резонансов и фазовых сдвигов, а также внедрение новых методов анализа и оптимизации квантовых состояний будут играть ключевую роль в продвижении технологии к практическому применению. В целом, внедрение интегрированных фотонных источников кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляют собой значительный шаг вперёд на пути к масштабируемым, устойчивым и функциональным квантовым компьютерам следующего поколения. Эта технология сочетает в себе высокую точность, совместимость с промышленными процессами производства и перспективы интеграции с электронными и оптическими системами управления, открывая широкое поле для исследований и технологических инноваций в квантовой информатике и квантовой связи.
