Квантовые вычисления стремительно развиваются, предлагая революционные решения для обработки информации на основе принципов квантовой механики. Центральным элементом таких систем выступают кубиты — квантовые аналоги классических битов. Одним из наиболее перспективных вариантов кодирования кубитов являются состояния Готтесмана–Китаява–Прескилла (GKP), которые обеспечивают высокую устойчивость к ошибкам и открывают путь к построению масштабируемых и отказоустойчивых квантовых вычислительных архитектур. Эти состояния позволяют эффективно реализовать универсальный набор квантовых логических операций с помощью относительно простых и стандартных оптических элементов, таких как комбинации режекторов и гомодинных детекторов, которые могут работать при комнатной температуре. Однако на пути от теории к практическому применению стоит задача создания надежного и масштабируемого источника таких состояний.
До недавнего времени реализация GKP кубитов осуществлялась с использованием свободно-пространственных оптических систем, что усложняло масштабирование и интеграцию технологий для практических квантовых компьютеров. Новейшие разработки в области фотонной интеграции позволяют решать эти проблемы, создавая платформы на базе кремния и нитрида кремния с ультра-низкими потерями света и возможностью интегрировать все необходимые компоненты на одном кристалле. Такое решение существенно повышает стабильность, уменьшает шум и потери, а также упрощает масштабирование системы за счет массового производства полупроводниковых элементов. В частности, интегрированная фотонная плата, изготовленная на специализированной многоуровневой платформе из нитрида кремния, использует резонаторные структуры, особенно фотонные молекулы, для генерации одномодовых сжатых состояний света при длине волны 1550 нм. Валидируя принципы, заложенные в квантовой оптике, эти интегрированные источники способны воспроизводить критически важные особенности GKP состояний, включая наличие минимум четырех разрешимых пиков в иппозиционной и импульсной квадратах, а также характерную решетчатую структуру с отрицательными областями функции Вигнера — ключевого показателя негауссовой квантовой нелинейности.
Процесс генерации GKP кубитов в таких интегрированных устройствах основан на сложной интерференции четырех одномодовых сжатых состояний, создаваемых с помощью процесса спонтанного четырёхволнового смешения (SFWM) в резонаторах и последующем измерении трех из выходных оптических мод с применением фотонно-числовых разрешающих детекторов (transition edge sensors). Правильный шаблон обнаружения фотонов служит сигналом герольдинга, позволяющим отобрать нужные квантовые состояния, которые впоследствии проходят гомодинную детекцию для подробного квантового томографического анализа. Архитектура такого фотонного источника демонстрирует высокую эффективность и стабильность благодаря оптимизированной пассивной фильтрации и использованию цепочки симметричных манхестерских интерферометров для распределения накачки и подавления шумовых фотонов. Одним из ключевых достоинств устройства является возможность генерировать квантовые состояния с параметрами, напрямую связанными с показателями полезности для последующего квантового кодирования и коррекции ошибок, что подтверждается экспериментальными значениями эффективного сжатия и стабилизаторов, измеренных в лаборатории. Уровень потерь в оптических путях и эффективность детекторов играют решающую роль в качестве производимых кубитов.
Современные переходные edge-сенсоры демонстрируют детектирование более чем с 99% эффективностью, что в сочетании с сводными потерями ниже 1 дБ обеспечивает возможность генерации квантовых состояний, соответствующих требованиям для реализации протоколов с ошибкоустойчивостью и масштабируемостью. Отметим, что достигнутые результаты не только демонстрируют успешное создание и верное распознавание GKP состояний с характерными признаками негауссовости и операционными параметрами, близкими к теоретически оптимальным, но и формируют платформу для дальнейшего развития квантовых фотонных процессоров. Среди перспектив — расширение числа интегрированных источников, улучшение качества состояний и снижение оптических потерь, что позволит создавать крупномасштабные кластерные состояния, необходимые для практической реализации измерительно-управляемых квантовых вычислений. Дальнейшие шаги в развитии этой технологии подразумевают интеграцию модулей с механизмами умножения и «улучшения» сгенерированных состояний посредством методов «breeding» и мультиплексирования. Это позволит повысить вероятность генерации высококачественных GKP кубитов до уровня, достаточного для операционной работы квантовых компьютеров с ошибкоустойчивостью.
В целом, представленные интегрированные фотонные источники GKP кубитов знаменуют собой важный и долгожданный прорыв в области оптических квантовых вычислений. Они объединяют в себе достижения материаловедов, специалистов по фотонным интегральным схемам, квантовой оптики и детекторных технологий, создавая прочную основу для реализации комплексных, масштабируемых и практически приложимых квантовых вычислительных устройств. Инновации в области интегрированных платформ способствуют не только увеличению стабильности и производительности, но и открывают новые возможности для применения GKP кубитов в коммуникациях и квантовом сенсинге, расширяя сферу влияния квантовых технологий. Благодаря возможности компактной и устойчивой интеграции все элементы источника можно разместить на одном чипе, что значительно упрощает архитектуру будущих квантовых систем и снижает издержки на производство и обслуживание. Таким образом, интегрированные фотонные источники кубитов Готтесмана–Китаява–Прескилла формируют надежный технологический фундамент для построения нового поколения квантовых компьютеров, адаптированных к массовому производству и применению.
Это открывает широкие перспективы для ускоренного внедрения квантовых вычислительных решений в различных областях науки, техники и промышленности, двигая вперед фронтиры информационных технологий.
