Квантовые вычисления стоят на пороге революционных изменений, способных кардинально преобразить обработку информации, оптимизацию и моделирование сложных систем. Ключевым элементом для создания полноценного квантового компьютера является надежное кодирование кубитов — базовых единиц квантовой информации. Среди различных вариантов квантового кодирования особое внимание привлекают кубиты Готтесмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP), которые обладают уникальными преимуществами и открывают новый путь к построению устойчивых к ошибкам квантовых машин. Современные достижения в создании интегрированных фотонных источников таких кубитов демонстрируют перспективы масштабируемого, ремонтопригодного в реальном времени и совместимого с комнатной температурой решения. GKP-квбиты представляют собой кодирование квантовой информации в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптического режима.
В отличие от обычных двухуровневых систем кубитов в физических двухуровневых системах, GKP-квбиты используют плотную структуру состояний в фазовом пространстве, формируя регулярную сетку — решетку — в координатных и импульсных квадраторах света. Главным преимуществом является возможность реализовать универсальные квантовые операции с помощью простых гауссовых преобразований, таких как фазовые сдвиги и однородное смешивание, без необходимости сложного и дорогого управления. Это свойство облегчает реализацию булевых и нестандартных операций, а также значительно повышает устойчивость к ошибкам — важный фактор для масштабируемости квантовых систем. До недавнего времени создание и демонстрация оптических GKP-состояний сталкивалась с серьезными техническими ограничениями. Многие успешные разработки базировались преимущественно на компонентах в свободном пространстве — зеркалах, призмах и специализированных кристаллах — что затрудняло дальнейшее масштабирование и интеграцию в компактные устройства.
Адекватная реализация требовала немалого количества пространства, точной стабилизации компонентов и значительных затрат, что было препятствием на пути к промышленному применению. Однако появление интегрированных фотонных платформ, способных сочетать низкие потери, высокую стабильность и точное управление светом, коренным образом меняет ситуацию. Новейшие эксперименты продемонстрировали успешное применение специально оптимизированных фотонных интегральных схем, построенных на базе кремний-нитридных (SiN) чипов высокого качества, обработанных на 300-миллиметровых подложках. Эти платформы обеспечивают исключительную низкую оптическую потерю, критично важную для сохранения качественных квантовых состояний. В сочетании с интеграцией с современными детекторами индивидуальных фотонов с разрешением количества фотонов (PNR-детекторы), таких как переходно-краевые сенсоры (transition edge sensors), с эффективностью до 99.
8%, удается синтезировать квантовые состояния с достаточно выраженной структурой, позволяющей полагать, что эти устройства могут стать ядром масштабируемых, устойчивых фотонных квантовых компьютеров. В основе метода генерации GKP-состояний лежит процесс выделения и переплетения нескольких одно-режимных сжатых состояний света, которые затем подвергаются детектированию количества фотонов для селекции нужных квантовых состояний. Используемый четырехрежимный «гауссовский бозонный сэмплинг» (GBS) с четырьмя путями позволяет выявлять набор детекторных исходов — например, обнаружение тройных троек фотонов на трех выходных портах — что служит сигналом геремечивания кубита GKP на четвертом выходном режиме. Скачок завершается с помощью гомодинного детектирования, которое производит полную томографию полученного состояния и позволяет удостовериться в его качестве. Особое внимание исследователей уделяется визуализации состояния с помощью функций Виднера — квази-распределений в фазовом пространстве.
Для GKP-состояний характерна четко выраженная структура из множества пиков с положительным и отрицательным значением, формирующих регулярную сетку. В последних экспериментах отмечается достижение 3×3 сетки возбужденных состояний с отчетливо видимыми отрицательными участками виднеровской функции — признаком высокой нелинейности и квантовой «чистоты» состояний. Это чрезвычайно важно для обеспечения универсальности и возможности реализации квантовых алгоритмов без существенного вмешательства в аппаратные настройки. Данные состоят из миллиардов повторов эксперимента с эффективной частотой порядка сотен килогерц для каждого цикла, что позволяет надежно фильтровать шум и исключать помехи, поднимая качество получаемых состояний. Масштабируемость метода подтверждается возможностью расширения количества интегрированных источников и детекторов.
В теории, при дальнейшем снижении потерь на уровне чипа и улучшении компонентов передачи, достижение пространств с потерями менее 1% приведет к образованию GKP-состояний с надёжной эффективной сжатием, удовлетворяющим требованиям порога устойчивости к ошибкам, критично важному для практического квантового вычисления. Важной особенностью таких систем является то, что получение исходно нужных состояний носит вероятностный характер с малой вероятностью успеха для каждого отдельного события. Тем не менее использование методов мультиплексирования — параллельной генерации большого числа состояний с последующим селекционированием и их последующим смешиванием — позволяет значительно повысить стабильность работы и вероятность получения высококачественных GKP-кубитов. Это дает возможность реализовать полноценные «фотонные нефталинии» — масштабируемые архитектуры фотонных квантовых процессов. Отмечается, что помимо оригинального GKP-состояния, ряд различных конфигураций герметизации детекторов порождают другие полезные нелинейные квантовые состояния, включая шредингеровские коты и состояния с гексагоникационным расположением пик в фазовом пространстве.
Возможность переключения между такими режимами открывает перспективы в гибком управлении и настройке источников для разного рода задач в квантовой коммуникации и вычислениях. Важный шаг текущей работы — соединение полученных результатов с теоретическими моделями и оценка перспектив дальнейшей оптимизации. Анализ показывает, что с течением времени удастся значительно повысить эффективность, снизить потери и увеличить качество кубитов, вплоть до показателей, требуемых для реализации полноценной устойчивой квантовой архитектуры. Эксперименты также подтверждают, что используемая кремний-нитридная платформа, поддерживающая резонаторы типа фотонных молекул, позволяет подавлять паразитные нелинейные взаимодействия, что дополнительно повышает согласованность получаемых состояний. Генерируемые кубиты GKP — перспективный инструмент для квантовой коммуникации, например, для построения квантовых повторителей, способных передавать информацию на экстремальные расстояния с высокой устойчивостью к ошибкам.
