Квантовые вычисления во многом зависят от качества и стабильности кубитов, которые служат фундаментальной единицей информации в этих системах. Одним из наиболее перспективных подходов к формированию квантовых кубитов является использование фотоволоконных состояний, в частности, кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP). Эти кубиты обладают способностью к устойчивому хранению информации и позволяют осуществлять универсальные операции с относительно простыми средствами. Сегодня в центре внимания находится интегрированный фотонный источник, способный генерировать такие кубиты с высоким качеством и на базе технологий, пригодных для масштабных приложений. Кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill выделяются своей уникальной природой — они кодируются не в отдельных фотонах, а в непрерывных переменных оптического поля, что обеспечивает их внутреннюю устойчивость к ошибкам и упрощает выполнение логических операций при помощи гауссовых преобразований.
Такой подход позволяет реализовывать как так называемые клиффордские операции без вероятностных элементов, так и специальные нелинейные операции через подготовку магических состояний. Это существенно снижает технические сложности, характерные для большинства других фотонных квантовых архитектур. Существующие методы получения GKP-состояний включают разнообразные эксперименты с использованием свободно расположенных оптических компонентов и сверхчувствительных детекторов. Однако данные технологии часто масштабируются с большими техническими потерями и нестабильностью, которые препятствуют их практическому использованию на промышленном уровне. Интеграция в фотонные чипы — ключевой шаг к решению этих проблем.
Недавние достижения связаны с разработкой чипа на основе кремний-нитридной платформы, изготовленной на 300-миллиметровых подложках, что является технологией, принятый в полупроводниковой индустрии. Такой подход обеспечивает ультранизкие потери при передаче оптических сигналов и поддерживает необходимые нелинейные характеристики для генерации сжатых состояний света, которые служат основой для формирования GKP кубитов. Уникальным элементом эксперимента стали микрокольцевые резонаторы, построенные по принципу фотонной молекулы, что позволяет эффективно подавлять нежелательные нелинейные эффекты и обеспечивать высокое качество сжатия. Генерация GKP-состояний осуществляется посредством четырехрежимного устройства, в котором четыре отдельных сжатых состояния света интерферируются и подвергаются селективному измерению с помощью детекторов разрешения числа фотонов. Для этого используются детекторы на основе переходного краевого эффекта (transition edge sensors), обладающие непревзойденной эффективностью до 99,8%, что критично для успеха метода.
Такое сочетание прецизионного сжатия, программируемого интерферометра и высокоэффективной регистрации фотонов позволяет получать кубиты GKP с отчетливо выраженными структурными признаками, включая четыре различимых пики как в позиционном, так и в импульсном квадратах, а также уникальную решетчатую структуру отрицательных регионов функции Вигнера, необходимую для ошибки-устойчивых вычислений. Экспериментальная установка работает на длине волны в области 1550 нанометров, что соответствует оптическому телекоммуникационному окну, открывая пути к интеграции квантовых и классических оптических систем. Данные получают на частоте повторения 200 кГц, с обработкой результата по n-мерной гистограмме распределений фотонов. Самыми удачными показателями стала конфигурация с посылкой трех фотонов на три детектора (3,3,3), которая позволила получить наилучшее качество GKP-состояния, отвечающее прямоугольной кристаллической структуре решетки в фазовом пространстве. Некоторые вариации регистрации фотонов приводят к другим кат-состояниям и GKP-состояниям, имеющим гексагональные или другие решеточные структуры.
Это многообещает в смысле универсальности и масштабируемости, поскольку такая вариативность предоставляет инструменты для повышения вероятности успешного получения высококачественных кубитов и совершенствования архитектуры квантовых ресурсов через методы утончения и обработки состояний после их генерации. С точки зрения качества, полученные состояния демонстрируют эффективность стабилизаторов, превосходящую все, что можно было бы достичь с помощью простых гауссовых состояний. Эффективное сжатие по квадратах достигает нескольких десятых децибел, и показано, что это значение может быть существенно улучшено при дальнейших снижения оптических потерь и повышения эффективности всей системы. Согласно моделированию, чтобы перейти к режиму, пригодному для осуществления ложно-устойчивых вычислений, требуется довести общую передачу по оптической цепочке до порядка 99,5%, что реально с развитием современных технологий интеграции и упаковки. Отдельного внимания заслуживают технологические аспекты изготовления и упаковки чипа, где применён компетентный подход с использованием волоконных подключений с низкими потерями и точной термооптической стабилизацией фаз.
Инновационные схемы фотонного молекулярного резонатора, продвинутые методы стабилизации множества лазерных источников и синхронизации фаз обеспечивают высокую согласованность и качество генерируемых состояний на квантовом уровне. Все эти компоненты собраны в единое решение, открывающее перспективы для серийного производства интегрированных квантовых источников. Перспективы развития связаны с расширением числа режимов, применением мультиплексирования и цикловым улучшением качества кубитов. Это позволит справляться с вероятностным характером генерации и получать стабильные ресурсы для масштабных квантовых вычислительных систем. Также актуальной является задача интеграции новых видов детекторов с меньшими требованиями по охлаждению и повышенной скоростью работы для промышленного применения.
В общих чертах, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill кардинально меняет представление о том, как должны выглядеть и работать квантовые сети и вычисления в будущем. Он объединяет высокотехнологичные методы микроэлектроники и фотоники с продвинутыми концепциями квантовой физики, что делает возможным переход от лабораторных прототипов к практическим устройствам с высокой степенью масштабируемости. Реализация таких источников укрепит позиции оптических квантовых вычислений как перспективного направления, позволяющего создавать компьютеры нового поколения, работающие при комнатной температуре, с высокой скоростью и низкой стоимостью эксплуатации. Вследствие этого классическая индустрия телекоммуникаций и вычислительной техники будет тесно связана с развитием квантовых технологий, что повлечет за собой появление новых сервисов, методов шифрования и обработки информации. Таким образом, достижения, связанные с интегрированным фотонным источником кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill, формируют фундамент для создания полноценных fault-tolerant (ошибкоустойчивых) фотонных квантовых компьютеров.
Это открывает путь к решению сложнейших вычислительных задач, которые сегодня недоступны ни одному суперкомпьютеру, а также к внедрению новых форм коммуникации и сенсорики с уровнями безопасности и чувствительности, ранее считавшимися недостижимыми.
