Квантовые вычисления на основе фотонных архитектур являются одним из наиболее перспективных направлений современной квантовой информатики. Ключевым вызовом в этой области считается создание высококачественных квантовых состояний, способных эффективно кодировать информацию и обеспечивать устойчивость к ошибкам, что критично для построения масштабируемых и практичных квантовых компьютеров. Одним из наиболее привлекательных вариантов кодирования в оптике выступают кубиты Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP). Эти квантовые состояния обладают уникальными свойствами, позволяющими упростить реализацию универсальных логических операций при помощи детерминированных гауссовых преобразований и обеспечивают встроенную защиту от Gaussian-шумов, включая оптические потери. Традиционные методы генерации таких состояний основывались преимущественно на использовании свободно-пространственных оптических компонентов, что затрудняло масштабирование и интеграцию всей системы в компактный и стабильный модуль.
Новейшие исследования, проведённые группой учёных под руководством М. В. Ларсена и его коллег, продемонстрировали интегрированный фотонный источник GKP-кубитов, выполненный на базе ультранизкопотерьной кремний-нитридной платформы. Это достижение знаменует собой важный шаг к реальному производству фотонных квантовых компьютеров с высокой степенью стабильности и массовой воспроизводимости. Запатентованная технология основана на использовании четырех модной системы генерации запутанных гауссовских состояний с последующим геральдированием определённой фотонной детекцией.
В основе лежит принцип, когда нелинейные взаимодействия световых полей, порождающие сжатые состояния в отдельн модах, объединяются посредством линейного оптического интерферометра. Такой подход позволяет создавать сложные многомодовые состояния, из которых с помощью детекционных событий выделяется требуемое кубитовое состояние GKP с высокой точностью. Процесс генерации сжатых состояний реализован через резонансно усиленное спонтанное четырёхволновое смешивание (SFWM) в интегрированных микрокольцах фотонного молекулярного дизайна. Такой дизайн способствует подавлению нежелательных нелинейных эффектов и позволяет добиться близкой к одномодовому сжатию, что повышает качество создаваемых квантовых состояний и упрощает дальнейшую обработку. Пульсовые лазеры в диапазоне 1550 нм являются источниками возбуждения, обеспечивая совместимость с существующими волоконно-оптическими технологиями и минимизируя потери при передаче квантовых сигналов.
Важную роль играет также развитая система оптической фильтрации и фазовой стабилизации, реализованная посредством ряда асимметричных и симметричных Мах–Цендеровских интерферометров внутри чипа. Это существенно снижает фоновые шумы и обеспечивает стабильность фазы, что критично для воспроизводимости и точности сжатых состояний. Кроме того, оптические режимы после интерферометра разделяются и направляются на покрытые волокнами фильтры, а измерение ветвей происходит при помощи высокочувствительных детекторов с разрешением по числу фотонов (Transition Edge Sensors, TES). Детекторы TES характеризуются исключительной эффективностью обнаружения фотонов, достигающей почти 100%, и способностью различать количество фотонов в каждом событии, что позволяет эффективно геральдировать нужные состояния даже при низкой вероятности появления. Сочетание сверхнизких потерь в интегрированном чипе и высокой эффективности детекции обеспечивает пороговый уровень качества для создания GKP-кубитов, пригодных для работы в режиме устойчивых к ошибкам квантовых вычислений.
Программируемый линейный оптический интерферометр внутри чипа реализован в виде каскада настраиваемых оптических перемешивающих элементов, что позволяет управлять параметрами запутанности и создавать разнообразные квантовые состояния. Несмотря на ограниченную универсальность реализованной схемы, исследователям удалось добиться оптимальных точек работы для получения прямоугольных решётчатых GKP-состояний с четырьмя отчетливыми пиками в распределениях по квадраторам импульса и положения, а также ярко выраженной структурой с отрицательными регионами функции Вигнера – характерного признака квантовой негауссовости. Успешно продемонстрированное состояние обладает качественными параметрами, которые не только превосходят возможности гауссовских чистых состояний, но и соответствуют требованиям начального этапа fault-tolerant квантовых архитектур. Исходные уровни потерь в эксперименте колеблются в диапазоне 18–22%, однако моделирование показывает, что при снижении потерь ниже 1% можно добиться уровня сжатия (эффективного шума) близкого к 10 дБ, что соответствует порогу для практической реализации фиксации и исправления ошибок в GKP-кодах. Помимо непосредственной генерации кубитов, эксперимент выявил широкий спектр продуктов детекции, позволяющий получать различные негауссовские состояния, включая Schrödinger cat states и гексагональные решётчатые GKP-состояния.
Такая вариативность служит ресурсом для будущих многоступенчатых схем улучшения качества и вероятности генерации, так называемых «рафинировочных» процессов, которые важны для практического квантового вычисления. Подход, основанный на интеграции в кремний-нитридные платформы 300-мм диаметра и использовании промышленных методов полупроводникового производства, открывает путь к масштабированию технологию — потенциально к миллионам индивидуальных источников, необходимых для полнофункциональных фотонных квантовых процессоров. Кроме того, такая платформа понижает затраты и повышает воспроизводимость, одновременно минимизируя шумы и потери, ограничивающие качество генерируемых состояний. Развитие систем геральдирования с помощью переходных краевых детекторов и высокопроизводительных схем фазовой стабилизации обеспечивает критически важный контроль над качеством создаваемых кубитов. Собранные при этом массивы данных позволяют проводить сложный квантовый томографический анализ, подтверждающий характерные признаки lattice-структуры и квантовой экзотики в создаваемых состояниях – ключевые критерии применимости для реализации квантовой логики на базе GKP.
В долгосрочной перспективе представленная технология станет фундаментом для фотонных архитектур квантовой вычислительной техники, сочетая преимущества квантовой нелокальности, масштабируемости и интеграции в существующие оптические инфраструктуры. Формирование высококачественных GKP-кубитов на интегрированном уровне поднимает возможности построения fault-tolerant фотонных квантовых сетей и позволит облегчить задачи передачи квантовой информации, синтеза кластерных состояний и исполнения универсальных квантовых алгоритмов. Необходимо отметить, что несмотря на достигнутый прогресс, ключевым фактором для практического применения остаётся дальнейшее уменьшение оптических потерь, улучшение надежности компоновочных элементов и повышение эффективности геральдирования. Исследования продолжаются в направлении разработки более универсальных программируемых фотонных схем, многомодового параллелизма и интеграции с другими типами квантовых компонентов, таких как квантовые памяти и детекторы с расширенным функционалом. Таким образом, создание интегрированного фотонного источника кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла знаменует собой важный прорыв для поля квантовых технологий, методически объединяя фотонику, квантовую оптику и производственные технологии.
За счёт этого становится возможным преодолеть многие из существующих препятствий на пути к крупномасштабным, надежным и промышленно пригодным фотонным квантовым вычислительным системам, которые обещают революционизировать обработку информации, коммуникации и сенсорику в ближайшие десятилетия.
