Квантовые вычисления остаются одной из самых перспективных и быстроразвивающихся областей науки и технологий. В центре внимания современной квантовой информатики находятся методы создания и манипулирования квантовыми битами — кубитами, фундаментальными элементами квантового вычисления. Одним из перспективных подходов является использование фотонных кубитов, которые применяют свойства света для кодирования и обработки квантовой информации. Особое место в этой сфере занимают кубиты, построенные на кодах Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), которые благодаря своим уникальным характеристикам обладают потенциалом реализовать устойчивые, масштабируемые и более эффективные квантовые системы. Недавно был представлен интегрированный фотонный источник GKP-кубитов, способный синтезировать эти высококачественные состояния на интегральной фотонной платформе, что открывает новые горизонты для развития фотонных квантовых компьютеров.
Традиционные подходы к созданию фотонных кубитов обычно полагаются на свободное пространство для оптических компонентов, таких как зеркала, линзы и промежуточные фильтры, что создаёт сложности при масштабировании систем и повышении стабильности работы. Кроме того, их чувствительность к потерям и погрешностям серьезно ограничивает практическое применение. В то же время кубиты, основанные на GKP-кодах, имеют ряд преимуществ, таких как реализуемость универсальных операций с помощью простого набора детерминированных гауссовых элементов, совместимость с комнатной температурой и встроенная устойчивость к ошибкам, выходящим из области гауссовых шумов. Это создаёт фундаментальную потребность в высококачественных источниках таких состояний, работающих в интегрированной фотонной среде. Интегрированный фотонный источник GKP-кубитов, разработанный на платформе кремнийнитридных (SiN) нанофотонных чипов, представляет собой революционный шаг в направлении создания практичных и масштабируемых квантовых вычислительных машин.
Применение специализированной технологии на 300-миллиметровых кремнийнитридных вафлях позволило достичь сверхнизких оптических потерь, что является ключевым аспектом генерации высококачественных квантовых состояний. Для обеспечения необходимой нелинейности и одновременной минимизации нежелательных эффектов применены фотонные молекулы — совокупности из нескольких резонаторов с тщательно настроенными параметрами, способствующие селективному усилению нужных спектральных линий и подавлению паразитных процессов. Добыча исходных сжатых состояний — отправная точка для создания GKP-кубитов — осуществляется посредством резонансно усиленного процесса спонтанного четырехволнового смешивания (SFWM), стимулированного двумя когерентными лазерными импульсами на длине волны 1550 нанометров. Однородность и временная одиночная модовая структура вырабатываемых сжатых состояний обеспечивает высокое качество и совместимость с последующими линейно-оптическими операциями. Сердцем установки является линейно-оптический интерферометр, программируемый посредством серии регулируемых оптических элементров, которые перемешивают четыре сжатых моды для создания мульти-модового энтанглированного гауссового состояния.
Последующая детекция отдельных выходных мод с помощью высокоэффективных детекторов с разрешением числа фотонов — в данном случае переходных краевых сенсоров (Transition Edge Sensors, TES) с рекордными эффективноcтями около 99,8% — позволяет герольдировать наступление искомого GKP-состояния в оставшемся выходном моде. Формат реализации предусматривает работу с шаблоном обнаружения трех детекторов, где определённый набор количеств зарегистрированных фотонов связан с генерацией конкретного GKP-кубита. Экспериментальная реализация продемонстрировала способность достичь по крайней мере четырёх чётко различимых пиков в распределениях по квадрутам положения и импульса — важного признака структурированности и готовности состояния для корректировки ошибок. Более того, построенные функции Вигнера, показывающие квантовые характеристики этих состояний, содержат очевидную решётчатую структуру с зонами отрицательного значения, что является свидетельством выраженной неглассоваости и необходимого ресурса для универсальной квантовой обработки информации. Полученные результаты не только подтверждают фундаментальную возможность генерации высококачественных GKP-состояний в интегрированной фотонной среде, но и демонстрируют практическую близость к параметрам, необходимым для достижения устойчивости к ошибкам на уровне, достаточном для построения полезных квантовых вычислительных устройств.
Отмечено, что дальнейшее снижение оптических потерь в системе, включая улучшение передачи через волокна, фильтры, интерферометры и детекторы, может привести к существенному увеличению эффективного сжатия выходных состояний, превосходящему пороговые значения для реализации схем полного исправления ошибок. Данная технология открывает пути к прорывам в архитектуре фотонных квантовых компьютеров. Модульность и масштабируемость чиповой платформы позволяют рассматривать массивы таких источников, работающих параллельно, что необходимо для создания крупных кластерных состояний и сетей квантовой информации. Кроме того, разработанная технология способствует интеграции с уже существующими волоконными и фотонно-электронными системами обработки, что упрощает разработку полноценных устройств для квантовых коммуникаций и сенсоров. Среди дополнительных достижений эксперимента стоит выделить уникальное сочетание инновационных лазерных систем, обеспечивающих стабилизацию частоты и фазы рабочего излучения с помощью фазового блокирования и комбинаторных оптических частотных гребенок.
Это позволило сформировать импульсные пакеты с необходимой длительностью и эпюрой, адаптированные под временный профиль фотонных состояний на чипе, что особенно важно для минимизации фазового шума и повышения качества квантовых сигналов. Детекторы TES, разработанные и оптимизированные под данный эксперимент, являются одними из самых чувствительных и точных инструментов для измерения отдельных фотонов с разрешением количества фотонов. Введение наилучших практик в их изготовлении и упаковке позволило добиться почти полного захвата фотонного сигнала, что в значительной степени повысило общий выход и достоверность герольдации. Такие показатели открывают возможности не только для математически однозначной интерпретации результатов, но и для создания рабочих систем с высокой скоростью создания кубитов. Кроме головного результата, связанного с генерацией GKP-состояний с прямоугольной решёткой, были продемонстрированы и другие интересные классы состояний с использованием альтернативных конфигураций герольдации.
Это включает состояния кота Шрёдингера с выраженными зонами отрицательного значения функции Вигнера и GKP-состояния с шестиугольной решётчатой структурой. Эти наблюдения подчёркивают универсальность и гибкость подхода через многоцепочную Gaussian Boson Sampling архитектуру, способную создавать различное множество нелинейных и ресурсных квантовых состояний на одном и том же аппаратном комплексе. Перспективы дальнейшего развития связаны с интеграцией дополнительных этапов «очистки» и «размножения» (breeding), которые помогут увеличить качество, эффективность и устойчивость генерируемых кубитов. Эти операции могут реализоваться с использованием сетей линейных оптических элементов и дополнительных модулей детектирования, что в совокупности обеспечит масштабируемость и пригодность для решения сложных квантовых алгоритмов. В заключение, интегрированный фотонный источник кубитов GKP является важным технологическим достижением, которое прокладывает путь к созданию фотоэлектрических квантовых компьютеров нового поколения.
Обладая рядом уникальных характеристик, включая уменьшенные оптические потери, компактность, интегрируемость и высокую стабильность, эта технология способна существенно подвинуть границы современной квантовой науки и обеспечить прорыв в направлении масштабируемых, устойчивых и практичных систем квантовой обработки информации. Текущие достижения несомненно активизируют исследования и разработки в области квантовой оптики и нанофотоники, стимулируя появление новых решений и коммерческих приложений квантовых вычислений, коммуникаций и сенсорики. Инвестиции в совершенствование таких интегрированных платформ и развитие смежных технологий обещают стать ключевым фактором в достижении полноценных квантовых технологий, способных изменить способ обработки и передачи информации в ближайшие десятилетия.
