Квантовые вычисления продолжают оставаться одной из самых перспективных и динамично развивающихся сфер науки и техники. Одним из ключевых вызовов в этой области является создание надежных и масштабируемых источников квантовых битов, способных выдерживать ошибки и обеспечивать эффективное управление квантовой информацией. Особое внимание уделяется кубитам, реализованным с помощью фотонных систем, благодаря их высокой скорости, устойчивости к шумам и возможности работать при комнатной температуре. Среди множества вариантов кодирования квантовой информации выделяется подход Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), который предлагает мощное решение для обеспечения устойчивости к ошибкам и легкой реализации квантовых логических операций. На фоне этих тенденций ученые представили интегрированный фотонный источник кубитов GKP, открывающий новые горизонты для практического построения квантовых машин и развитых квантовых сетей.
Кубиты GKP основаны на кодировании квантовой информации в бесконечномерном пространстве Гильберта оптического режима с помощью определённых когерентных состояний света, расположенных в виде регулярной сетки в фазовом пространстве. Эта структура обеспечивает естественную защиту от распространенных видов ошибок, связанных с гауссовскими шумами, а также позволяет реализовывать универсальный набор квантовых логических операций детерминированным и управляемым образом, используя только относительно простые устройства — лучеразделители, фазовые сдвигатели и гомодинные детекторы. Такие преимущества делают кубиты GKP одним из наиболее перспективных кандидатов для создания квантовых процессоров с исправлением ошибок и с высокой пропускной способностью. Практическая реализация кубитов GKP в оптическом диапазоне долгое время оставалась технически непростой задачей. Ранее эксперименты по генерации GKP состояний света выполнялись с использованием свободно-пространственных оптических компонентов — линз, зеркал, модуляторов, что затрудняло масштабирование систем и повышало уровни потерь и нестабильностей.
Это, в свою очередь, ограничивало возможности создания полезных и больших квантовых вычислительных систем на их основе. Важным прорывом стало использование интегрированных фотонных чипов, изготовленных на специализированных платформах с использованием технологий кремний-нитрида, способных существенно снизить оптические потери, обеспечить стабильность и компактиборовать сложные квантовые схемы на одном устройстве. Современные разработки включают создание многомодовых источников квантового света, построенных на массиве микрорезонаторов с усиленной нелинейностью, что позволяет получить высокочистые сжатые состояния света. Взаимодействие нескольких таких режимов на интегрированном микрочипе сопровождается их оптическим смешиванием в линейном интерферометре с программируемыми параметрами, обеспечивая возможность точной настройки итоговых квантовых состояний. Важнейшим компонентом системы выступают детекторы числа фотонов с разрешением по числу фотонов (PNR), реализованные на базе сверхпроводящих термоэлектродных сенсоров с приближающейся к 100 % эффективностью.
Такие сенсоры работают при криогенных температурах, регистрируя с большой точностью событие поглощения отдельного фотона, что позволяет эффективно «подтверждать» (герольдировать) появление желаемого квантового состояния на втором выходном канале. Реализация княжества GKP на интегрированном чипе позволяет непосредственно после генерации и герольдирования получить оптическое GKP состояние, имеющее необходимые характеристики для устойчивости к ошибкам и дальнейшей обработки. Экспериментально были получены W-функции состояния с ярко выраженной решетчатой структурой и областями отрицательности — одной из ключевых признаков не-Gaussian состояний, необходимых для универсальных квантовых вычислений. Позиционное и импульсное распределения имеют несколько явно различимых пиков, что является важным признаком высокого качества кодирования с точки зрения способностей к исправлению ошибок. Ключевым параметром качества таких состояний является эффективное сжатие в фазовом пространстве, оцениваемое по величинам стабилизаторов состояния.
Достигнутые на данный момент показатели составляют около пол децибела эффективного сжатия, что, хотя и отстает от пороговых значений для полной отказоустойчивости, демонстрирует четкую тенденцию к их достижению по мере снижения оптических потерь. Моделирование показывает, что при суммарной эффективности передачи и детектирования выше 99,5 % возможно получить GKP состояния с эффективной сжимающей мощностью более 9,75 дБ, что считается достаточным для построения полноценных квантовых машин с исправлением ошибок. Одним из фундаментальных достижений описанных исследований стала демонстрация возможности масштабируемого производства кубитов GKP с помощью промышленно совместимой технологии изготовления кремний-нитридных интегрированных фотонных чипов на 300-мм пластинах, что гарантирует высокую однородность, повторяемость параметров и возможность массового производства. Кроме того, архитектура устройства подразумевает дальнейшее расширение за счет увеличения числа режимов, возможности комбинирования множества таких источников, а также интеграции вспомогательных схем для повышения качества и успеха генерации — начиная от техники мультиплексирования и заканчивая алгоритмами «скрещивания» (breeding), которые позволяют улучшить свойства исходных состояний с минимальными потерями. Понимание и оптимизация всех элементов цепочки генерации и измерения GKP состояний требует глубокого взаимодействия между теоретиками и экспериментаторами.
Современные вычислительные модели охватывают весь спектр эффектов от нелинейных фотонных взаимодействий внутри микрорезонаторов, микрофотонного распределения света в устройстве до детальной оценки шумов и вероятностей герольдирования. Управление параметрами сжатия, фазовыми сдвигами и интерференцией позволяет создавать требуемые состояния с оптимальным сочетанием вероятности возникновения и качества. Значение интегрированных фотонных источников кубитов GKP выходит за пределы только квантовых вычислений. Подобные состояния перспективны для квантовой связи на большие расстояния, где устойчивость к шуму и деформациям сигнала является критически важной. Они также востребованы в задачах квантового сенсинга и метрологии, где нестандартные квантовые состояния обеспечивают увеличенную чувствительность и точность измерений, недоступную классическим методам.
Несмотря на актуальные успехи, перед исследованиями в этой области стоит ряд технологических задач. Значительное увеличение эффективности компонентов, особенно в области снижения потерь при упаковке и сопряжении волноводов с оптическими волокнами, а также улучшение показателей работы детекторов, позволит увеличить скорость генерации и качество кубитов. Кроме того, интеграция систем фазовой стабилизации и управления параметрами квантовых состояний в компактные и надежные блоки станет важным этапом на пути коммерческого применения. В целом интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла представляет собой важный шаг в реализации масштабируемых, устойчивых и управляемых квантовых архитектур. Он сочетает потенциал высококачественной генерации специализированных квантовых состояний с промышленными методами производства и перспективами интеграции в сложные квантовые сети.
Развитие такой технологии открывает дорогу не только к новому поколению квантовых компьютеров, но и к расширению сферы практических приложений квантовой науки в коммуникациях, сенсорах и фундаментальных исследованиях.
