Современное развитие квантовых вычислений все активнее опирается на фотонные технологии, способные обеспечить масштабируемость и высокую устойчивость к ошибкам. Одним из самых перспективных направлений в этой области является создание и использование кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP), представляющих собой особый класс квантовых состояний, закодированных в непрерывных переменных света. Их уникальность заключается в возможности реализовывать универсальный набор квантовых логических операций с помощью простых Gaussian-операций, работающих при комнатной температуре. Именно это свойство отличает GKP-квбиты от привычных однофотонных кодировок, требующих сложных схем и криогенного охлаждения. Разработка интегрированных фотонных источников таких кубитов стала важной технологической вехой на пути к практическим квантовым компьютерам.
В последние годы коллектив ученых из компании Xanadu Quantum Technologies продемонстрировал первый в мире интегрированный фотонный чип, способный на масштабируемую генерацию GKP состояний в оптическом диапазоне 1550 нм. В основе этой технологии лежит использование ультранизкозатратной кремниевого нитридной платформы, обеспечивающей минимальные оптические потери, а также сверхвысокоэффективных детекторов с числовым разрешением фотонов на основе перехода края (Transition Edge Sensors, TES). Традиционные методы генерации GKP-состояний опирались преимущественно на свободно-пространственные оптические установки с высоким уровнем оптических потерь и ограниченной масштабируемостью. Эти установки требовали сложной выравнивания, громоздкого оборудования и не позволяли создавать массивы источников, необходимых для построения полноценных квантовых вычислительных систем. В противоположность этому, интегрированные фотонные схемы, выполненные на кремниевых платформах, открывают возможности к миниатюризации, надежной стабилизации и автоматизации, что чрезвычайно важно для построения промышленного квантового оборудования.
Принцип работы интегрированного источника GKP-квбитов лежит в использовании нелинейных оптических процессов, в частности, резонансно усиленного спонтанного четырехволнового смешивания (Spontaneous Four-Wave Mixing, SFWM) в микрокольцевых резонаторах, объединенных в фотонную молекулу. Эта конструкция позволяет генерировать индивидуальные одномодовые сжатые состояния света с высоким уровнем сжатия (до 10 дБ), оптимизированные по спектральным и временным характеристикам. Полученные сжатые состояния затем подвергаются линейно-оптическому вмешательству с применением точно настроенного интерферометра, в результате чего формируется запутанное четырёхмодовое состояние. Ключевым элементом схемы является процесс бронирования (heralding) выходных состояний с помощью трех детекторов с разрешением числа фотонов. При определенных паттернах регистрации фотонов на детекторах в искомом выходном порте формируются GKP-состояния, обладающие критическими для надежных квантовых вычислений характеристиками.
Среди этих характеристик выделяются разрешимые пики в распределениях позиционной и импульсной квадратур, а также отрицательные области функции Вигнера, свидетельствующие о выраженной нелинейной природе квантового состояния и его пригодности для универсальных вычислений. Экспериментальная установка работает с частотой до 200 килогерц, что обеспечивает скорость генерации GKP-состояний порядка нескольких десятков герц при выбранных условиях фильтрации. Для анализа выходных состояний применяется сбалансированная гомодинная детекция с вариацией фазы локального осциллятора, что позволяет реконструировать полные квантовые характеристики состояния с помощью методов максимального правдоподобия. Использованная схема не требует компенсации потерь в процессе реконструкции, что свидетельствует о прямом явлении качественных многомодовых квантовых состояний на выходе устройства. Обеспечение сверхвысоких коэффициентов преломления и низких оптических потерь в интегрированной фотонике — фундаментальное достижение, обеспечившее успех эксперимента.
Использование технологии 300-мм кремниевого нитрида позволило снизить потери в компонентах ниже 0,5 дБ, а также оптимизировать качество резонаторов до значений порядка 10 миллионов, что обеспечивает высокую эффективность генерации сжатых состояний. Для связи интегрированного чипа с внешними оптическими волокнами была реализована промышленная технология сопряжения с SMF-28 Ultra с минимальными потерями порядка 0.45 дБ на стыке. Переходно-кромочные сенсоры с числовым разрешением фотонов, функционирующие в криогенной среде при температурах ниже 50 мК, обеспечивают рекордную эффективность обнаружения фотонов — до 99.8%.
Высокая эффективность и способность разрешать количество одновременно детектируемых фотонов являются решающими для успешного бронирования GKP-состояний и повышения вероятности их появления при каждом импульсе. Благодаря этому, реализован механизм синтеза и мониторинга нелинейных квантовых состояний с точностью, ранее недостижимой в фотонной квантовой оптике. Созданные в ходе эксперимента с GBS-устройством четырёхмодовые GKP-состояния демонстрируют четыре и более разрешаемых пиков в квантовых распределениях както по позиционной, так и по импульсной переменным. Именно это обеспечивает основное условие для достижения необходимого уровня эффективного сжатия, соответствующего схемам с устойчивой к ошибкам квантовой логикой и позволяет направить устройство к созданию fault-tolerant систем. Кроме того, в различных рассмотренных случаях достигались структуры состояний с различными решетками — как прямоугольными, так и гексагональными, что свидетельствует о гибкости подхода и возможности реализации разных кодовых пространств.
Одним из важнейших вопросов для практического применения нового источника выступает проблема масштабироания. Текущие результаты показывают, что дальнейшее снижение потерь в системах и улучшение качества изготовления позволит существенно повысить качество получаемых состояний, добиться пороговых значений качественной стабилизации квантовых коммуникаций и вычислений при уровнях потерь менее 1%. Для этого предстоит усовершенствовать методы интеграции, оптимизации управления на чипе, а также разработать новые схемы мультиплексирования и слияния квантовых состояний с помощью «рефинери» и адаптивных операций. Перспективы применения разработанной технологии выходят далеко за рамки классических задач квантовых вычислений. Кубиты GKP могут стать эффективным ресурсом для создания высокозащищенных каналов квантовой связи, в том числе на длинные расстояния при помощи квантовых ретрансляторов.
Также они открывают возможности для точных измерений и квантовых сенсоров, способных повысить чувствительность в метролоических и фундаментальных исследованиях. Использование интегрированных фотонных платформ для генерации GKP-состояний представляет собой значительный шаг к промышленному внедрению квантовой оптики, поскольку эти платформы позволяют объединить в одном устройстве все необходимые компоненты: генераторы сжатых состояний, многомодовые интерферометры, фильтры, детекторы и средства стабилизации, обеспечивая масштабируемость и повторяемость производства. Подобный подход значительно упрощает эксплуатацию и повышает надежность квантовых систем. В заключение, прогресс в области интегрированных фотонных источников кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла закладывает прочный фундамент для создания новых поколений фотонных квантовых компьютеров с высоким уровнем устойчивости и масштабируемости. Современные эксперименты, основанные на кремниевых нитридных платформах и высокоэффективных детекторах, демонстрируют реальные возможности синтеза качественных нелинейных квантовых состояний.
Далее предстоит решать задачи дальнейшего снижения потерь, расширения функциональности схем и интеграции с другими квантовыми технологиями, что откроет путь к практическим и промышленным квантовым решениям, способным изменить будущее вычислительной техники и коммуникаций.
