Квантовые вычисления представляют собой одну из самых перспективных и динамично развивающихся областей современной науки и технологий. Их потенциал способен трансформировать множество отраслей, от криптографии и моделирования молекулярных структур до оптимизации сложных процессов и искусственного интеллекта. Одним из ключевых аспектов построения действительно полезных квантовых компьютеров является создание надежных и масштабируемых квантовых битов — так называемых кубитов. Среди множества предложенных подходов особое внимание заслуживает семейство кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), которые выделяются своей стойкостью и удобством реализации благодаря уникальному способу кодирования информации в оптических состояниях света. Кубиты GKP представляют собой квантовые состояния, закодированные не в двухуровневых системах, как традиционные кубиты, а в непрерывных переменных фотонных мод, в частности в фазовом пространстве света.
Такой подход использует бесконечномерное пространство состояний осциллятора, позволяя делать квантовые операции с улучшенной устойчивостью к ошибкам и с возможностью выполнять универсальный набор логических операций с помощью простых и детерминированных гауссовых преобразований. Это делает GKP кубиты перспективными для построения устойчивых, отказоустойчивых и функциональных квантовых компьютеров, работающих при комнатной температуре и совместимых с существующими технологиями фотоники. До недавнего времени создание оптических GKP состояний осуществлялось с помощью свободно-пространственных оптических компонентов, что ограничивало масштабируемость и стабильность систем. Такие установки занимают много места, требуют аккуратного выравнивания и контроля, что усложняет их практическое применение для построения вычислительных устройств большого масштаба. В ответ на эти вызовы ученые разработали интегрированный фотонный источник GKP кубитов на базе специализированных чипов из многослойного нитрида кремния, созданных по передовым технологическим процессам.
Интегрированная фотоника как платформа обладает многими преимуществами в контексте квантовых вычислений. Во-первых, миниатюризация компонентов позволяет создавать компактные и стабильные устройства с малыми потерями и высокой производительностью. Во-вторых, использование известного и проверенного в полупроводниковой промышленности процесса изготовления чипов обеспечивает reproducibility и потенциал промышленного масштабирования. В-третьих, интеграция с эффективными детекторами фотонов, в частности с детекторами переходного края (transition edge sensors, TES), обеспечивает высокую чувствительность, разрешение по числу фотонов и совместимость с существующими сетями передачи света. В эксперименте ученые использовали специально разработанный чип на базе нитрида кремния с низкими потерями и интегрированными микрозеркалами для генерации одиночных мод сжатого света в длинноволновом диапазоне около 1550 нм, что является стандартом для оптических коммуникаций.
Процесс генерации основан на резонансно усиленном спонтанном четырёхволновом смешивании, что позволяет получить сжатые вакуумные состояния с высокой степенью чистоты и минимальными паразитными эффектами. Эти состояния проходят через программируемый интерферометр, который реализует линейные оптические преобразования, обеспечивающие создание требуемых квантовых состояний с эффектом запутанности и необходимой структурой для реализации GKP кубитов. Ключевой этап связан с процессом опознавания и подтверждения создания необходимого состояния — геролдингом — с помощью детекторов с разрешением по числу фотонов. В данном случае для трех из четырех выходных мод используется система переходных краевых сенсоров с эффективностью до 99.8%, что значительно повышает достоверность и качество синтезируемых GKP кубитов.
Результирующее состояние снимается с четвертого выхода и изучается с помощью гомодинного детектора для квантовой томографии, что позволяет оценить совокупные характеристики состояния в фазовом пространстве, в том числе распределение вероятностей по координатам и импульсам, а также измерить функции Вигнера. Экспериментально полученные состояния GKP демонстрируют критически важные признаки, необходимые для реализации отказоустойчивого квантового вычисления: разрешимость минимум четырех пиков в координатной и импульсной квадраторах и наличие четкой решетчатой структуры с отрицательными областями функции Вигнера, в данном случае организованной как сетка 3×3. Наличие таких особенностей свидетельствует о значительной степени негадуссовости и «магичности» квантового состояния, что является необходимым ресурсом для универсальных квантовых вычислений. Особую важность для практики представляет потенциал дальнейшего снижения потерь в системе. На данный момент уровень передачи в оптических цепях достигает порядка 78-82%, что обусловлено технологическими ограничениями и сложностью интеграции различных элементов.
Однако симуляции показывают, что при достижении уровней передачи более 99.5% возможно создание GKP состояний с эффективным уровнем сжатия, превосходящим 9.75 дБ, что соответствует необходимому порогу для fault-tolerant (отказоустойчивых) квантовых вычислений. Это открывает перспективу масштабирования таких интегрированных платформ до миллионов источников для построения полноценных квантовых процессоров. Архитектура, применяемая в данном исследовании, базируется на четырехрежимном генераторе гауссовских бозонных выборок (Gaussian Boson Sampling, GBS), который позволяет программно конфигурировать параметры интерферометра и уровни сжатия для оптимизации качества нужных состояний.
Высокий уровень интеграции минимизирует потери, упрощает калибровку и обеспечивает стабильность, что критично для долговременной работы квантовых устройств. Более того, использование специально разработанных фотонных молекулярных резонаторов позволяет подавлять паразитные нелинейные взаимодействия, делая генерацию сжатых состояний более эффективной и однотемпоральной. Разработанная система сочетает технологические достижения в лазерных установках с управлением фазой и частотой, интегрированную фотонику, продвинутые модели на базе физики нелинейных процессов в микро-резонаторах, а также передовое квантовое детектирование, что выводит синтез GKP кубитов на новый уровень. В настоящее время устройство работает с частотой повторения импульсов до 200 кГц и может получать стабильно повторяемые и контролируемые состояния, что позволяет накапливать статистику для квантовой томографии с миллионами измерений. Данные, полученные в эксперименте, подтверждают преемственность новых подходов с более ранними результатами в области квантовой оптики, одновременно указывая на превосходство по показателям качества и устойчивости.
