Современные квантовые технологии находятся на пороге масштабного развития, и одной из ключевых задач является создание надежных и масштабируемых источников квантовых битов — кубитов. Особое внимание уделяется кубитам Готтесмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP), которые обладают уникальными преимуществами для построения устойчивых к ошибкам квантовых систем и их интеграции в фотонные архитектуры. Новейшие исследования демонстрируют, что интегрированные фотонные источники GKP-кубитов могут стать революционным шагом в направлении практичных и эффективных квантовых компьютеров. Этот материал подробно рассмотрит технологию, принципы работы, технические особенности и перспективы развития интегрированных фотонных GKP-источников и их влияние на квантовые вычисления и связь. Кубиты GKP: особенности и преимущества Квантовое кодирование кубитов в бесконечномерных гильбертовых пространствах оптических мод выделяется среди многочисленных подходов благодаря своей устойчивости и эффективности.
Кубиты GKP представляют собой кодировки в виде сеток состояний гармонического осциллятора, позволяя использовать преимущества как дискретных, так и непрерывных переменных. Главным достоинством GKP-кубитов является то, что операции из группы Клиффорда на них реализуются детерминированно с помощью легко реализуемых гауссовских элементов — фазовых сдвигов, делителей и гомодинных измерений — даже при комнатных температурах. Это резко выделяет их на фоне традиционных схем с одним фотоном, которые требуют нечувствительных к ошибкам операции «взорванных» затрат и часто работают в криогенных условиях. Кроме того, GKP-кубиты обладают устойчивостью к гауссовскому шуму, вызванному, например, потерями в оптических компонентах, что является основной проблемой в практических квантовых вычислениях и коммуникациях. Технология создания GKP-кубитов в оптическом диапазоне Создание качественных оптических GKP-состояний традиционно было технически сложной задачей.
Ранее эксперименты опирались на дорогие и громоздкие настройки с использованием свободно простирающихся оптических компонентов, которые плохо масштабируются и подвержены влиянию технических шумов, включая вибрации и температурные колебания. Недавние достижения в области интегрированных фотонных чипов открывают новые горизонты для генерации GKP-кубитов. Основой подхода стал фотонный кристалл из кремний-нитридных волноводов с ультранизкими потерями, изготовленный на 300-миллиметровых кремниевых пластинах. Интеграция всех необходимых компонентов на чипе — микрорезонаторов для сжатия света, фильтров, перестраиваемых интерферометров и систем вывода позволяет создавать многомодовые запутанные гауссовские состояния с высокой стабильностью и управляемостью. Формирование GKP-состояний осуществляется через технологию, называемую гауссовым бозоновым сэмплированием (Gaussian Boson Sampling, GBS).
В данном методе четыре отдельных осциллятора формируют квалифицированную гауссовскую многомодовую систему, которую путем интерференции и последующего избирательного измерения фотонных чисел на трех каналах при помощи переходных энергорезонансных датчиков (Transition Edge Sensors) преобразуют в искомое GKP-состояние в четвертом выходном моде. Такая схема позволяет не только высокоэффективно подготовить кубит, но и гарантировать его качество за счет программируемых параметров усиления сжатия и контроля оптической фазы. Для оптимизации быстродействия и качества эксплуатации использованы лазерные системы с точным стабилизированным частотным слежением, а сигнал подается в виде коротких импульсов с репетитивной частотой 200 кГц. Отдельные составляющие — лазеры, чип, детекторы, системы стабилизации фаз — объединены в единую платформу, обеспечивающую надежное и воспроизводимое получение GKP-кубитов. Характеристики и качество генерируемых состояний Экспериментальные данные демонстрируют наличие основных структурных признаков GKP-состояний, критичных для достижения отказоустойчивости.
Среди них — наличие в позиционной и импульсной квадрофурах четырех хорошо разрешимых пиков, формирующих своеобразную прямоугольную решетку с отрицательными областями в функции Вигнера, что свидетельствует о негауссовской природе квантового состояния. Для количественной оценки качества используются показатели стабилизаторов — математические ожидания операторов сдвига по позиционному и импульсному квадрату. Полученные значения превышают максимум для чистых гауссовских состояний, что говорит о приближении к целевому GKP-состоянию с высоким уровнем эффективного сжатия (squeezing) в обеих квадрурах. Это ключевой параметр, так как чем выше эффективное сжатие, тем выше устойчивость кубита к ошибкам и тем ниже порог для реализации устойчивых к ошибкам вычислений. Перспективы снижения потерь и масштабирования Одной из главных трудностей остается оптический потери в системе.
Текущие измерения фиксируют передачу оптических сигналов в диапазоне 78–82%, что, хотя и впечатляюще для интегрированных фотонных схем, еще недостаточно для истинно отказоустойчивой работы. Однако моделирование показывает, что при улучшении передачи за счет снижения потерь в компонентах и упаковке — вплоть до более 99,5% — устройство сможет генерировать GKP-состояния с уровнем сжатия, позволяющим полноценно использовать схема для построения масштабируемых квантовых устройств. Дальнейшее развитие предусматривает использование менее многомодовых GBS-устройств с применением технологии «шлифовки» и «размножения» (breeding) квантовых состояний. Эти методы позволяют улучшить качество кубитов и повысить вероятность успеха генерации, одновременно снижая требования к оборудованию и потерям. Переход от демонстрационных установок к коммерческим системам потребует внедрения модульных и многокристальных фотонных платформ с интегрированной электроникой и детекторами, способными работать при комнатных температурах или с минимальным охлаждением.
Влияние на квантовые вычисления и коммуникации Интегрированные GKP-источники формируют один из важных строительных блоков в архитектуре фотонных квантовых компьютеров. Их преимущества — возможность реализовать полный универсальный набор квантовых логических операций с помощью простых и надежных гауссовских компонентов, высокая устойчивость к ошибкам и масштабируемость — обеспечивают потенциал для создания мощных и практичных вычислительных машин, недоступных современным технологиям на основе твердых тел. Кроме того, такие кубиты находят применение в квантовых сетях и коммуникационных системах, позволяя защищать информацию от шумов и потерь на больших расстояниях, а также в квантовой метрологии, где высокая точность измерений достигается за счет сложных квантовых состояний. Заключение Появление интегрированных фотонных источников кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла знаменует собой важный этап в развитии квантовых технологий. Объединение передовых материалов, высокоточных лазерных систем, сверхчувствительных детекторов и продвинутых алгоритмов подготовки состояний создают платформу, которая способна обеспечить производство кубитов высокого качества, необходимых для построения устойчивых, масштабируемых и универсальных квантовых компьютеров.
Продолжающееся совершенствование процессов изготовления и уменьшение потерь в оптических компонентах обещают уже в ближайшем будущем вывести фотонные квантовые вычисления на новый уровень, позволяя преодолеть многие практические ограничения и приблизиться к реализации коммерчески жизнеспособных квантовых систем. Таким образом, интегрированная фотоника и GKP-кубиты занимают важное место в пути к будущему квантовых технологий, открывая возможности для революционных изменений в различных сферах науки и техники.
