В современном мире квантовые вычисления представляют собой ключевое направление научно-технического прогресса, задающее темпы развития вычислительных технологий и способное существенно изменить способы обработки информации. Фотонные архитектуры в квантовых компьютерах привлекают особое внимание благодаря их потенциалу для масштабирования и совместимости с существующей оптической инфраструктурой. В центре этих исследований находится создание и синтез сложных квантовых состояний света — кубитов, способных надежно хранить и обрабатывать квантовую информацию. Одним из наиболее перспективных вариантов квантовых кодировок выступают состояния Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), которые обеспечивают устойчивость к ошибкам и позволяют реализовывать универсальный набор квантовых логических операций с помощью простых и детерминированных гaуссовских преобразований, работающих при комнатной температуре. Традиционные методы генерации оптических GKP-состояний опираются на свободно пространственные оптические компоненты, что создает серьезные препятствия для масштабирования до необходимых уровней для полноценного квантового компьютера.
Однако недавние достижения в интегрированных фотонных технологиях открывают путь для реализации компактных, стабильных и эффективных источников таких состояний. На переднем плане этой новации стоит использование специально разработанных кремниевых нитридных фотонных чипов, созданных на базе 300-миллиметровых кремниевых пластин с минимальными оптическими потерями и высокой степенью контроля над нелинейными процессами генерации света. Эти чипы сочетаются с высокоэффективными детекторами, способными точно разрешать количество фотонов, что чрезвычайно важно для подтверждения правильности созданных квантовых состояний. В основе нового подхода лежит сложная схема запутывания четырех отдельных одномодовых сжимаемых состояний света с последующим герольдированием сигнала с помощью фотонных детекторов с разрешением числа фотонов. Такой метод, известный как многомодовое гауссовское бозонное семплирование, позволяет программировать параметры устройства с целью генерации GKP-состояний разной структуры, в том числе с прямоугольной и гексагональной решетками — формами, важными для квантовой устойчивости и логических операций.
Особенностью разработанного фотонного чипа является применение резонансно усиленного спонтанного четырехволнового смешивания (SFWM) в микрокольцевых резонаторах особой фотонной молекулярной архитектуры. Такая конструкция снижает паразитные нелинейные процессы и поддерживает создание сжимаемых состояний с высоким качеством и близких к одномодовому профилю во времени. Управление фазами и интерференция сжатых состояний обеспечиваются с помощью программируемого интерферометра, созданного из каскада настраиваемых оптических расщепителей света, что позволяет гибко формировать выходные состояния. Итоговое квантовое состояние, получаемое на выходном порте чипа, подвергается тщательной томографии с использованием сбалансированного гомодинного детектирования, дающего полную информацию о квантовом распределении в фазовом пространстве. Результаты эксперимента подтверждают наличие у созданных GKP-состояний всех необходимых характеристик для реализации устойчивой к ошибкам кодировки: четко разрешимые четыре пика в квандратах положения и импульса и решетчатую структуру отрицательных пиков в функции Вигнера, что является маркером глубинной квантовой нелокальности.
Ключевые метрики качества, такие как эффективное сжатие в квандрате p и q и значения стабилизаторов GKP, продемонстрировали показатели, превосходящие границы достижимых для гауссовских состояний, подтверждая истинность и новизну полученных результатов. Мониторинг и снижение оптических потерь по всем звеньям системы остаются критическими факторами для достижения порогового качества, необходимого для полноценной квантовой устойчивости и масштабирования устройств. Текущий эксперимент показал успешную работу при общих коэффициентах передачи порядка 78–82%, однако открытый анализ системы указывает на то, что при их повышении до уровня выше 99,5% возможно получение кубитов с эффективным сжатием свыше 9,75 дБ — необходимым для fault-tolerant вычислений. Это подчеркивает ключевую роль непрерывного совершенствования технологий изготовления фотонных чипов, компонентов пакетирования и детекторов. Помимо улучшения качества самих кубитов, отмечается потенциальная возможность расширения архитектуры устройства для внедрения стратегий мультиплексирования и последовательной фильтрации состояний — так называемых breeding и refinery этапов — которые позволяют повысить вероятность генерации качественных GKP-состояний и улучшить их устойчивость к потерям.
Такая модульная структура перспективно подходит для масштабирования с тысячами и миллионами параллельных источников, необходимых для построения полноценных фотонных квантовых компьютеров. Кроме вычислений, GKP-состояния востребованы в задачах квантовой связи и измерений, благодаря их уникальной устойчивости к определенным видам шумов и ошибкам, что расширяет сферу их использования и стимулирует развитие фотонной квантовой технологии в целом. Применение сверхточных детекторов на основе переходных реберных сенсоров, работающих при криогенных температурах, дополняет архитектуру, обеспечивая практически идеальные показатели разрешения числа фотонов и минимальный уровень шумов, что критично для точного утверждения и heralding состояний. Система лазеров, служащая источником для одновременной и точной генерации импульсов необходимой длительности и фазы, обеспечивает стабилизацию и синхронизацию всех элементов эксперимента, позволяя проводить высокоточные измерения и сбор данных с повторяемостью миллиарды циклов. Представленный подход демонстрирует зрелость технологии интегрированных фотонных платформ, сочетая передовые методы изготовления и пакетирования с элементами квантовой оптики и метрологии.
Это свидетельствует о быстром приближении к практическому созданию масштабируемых, надежных и эффективных фотонных квантовых машин. В будущем можно ожидать интеграцию таких источников в более сложные архитектуры с поддержкой исправления ошибок и логических операций на основе кубитов GKP, что позволит реализовать приложения от квантовых симуляций до криптографии и обработки больших данных с ранее недостижимой скоростью и защищенностью. Инновации в области фотонных чипов, оптимизация схем и прогресс в квантовой электронике и детекторных технологиях совместно прокладывают путь к реализации принципиально новых вычислительных платформ, полностью основанных на свойствах света и квантовых взаимодействиях. Таким образом, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляет собой важнейшее достижение, прокладывающее технологическую и научную трассу к эре квантовых вычислений нового поколения, обладающих высокой производительностью, надежностью и масштабируемостью.
