Развитие квантовых технологий обусловлено необходимостью создания вычислительных систем нового поколения, способных выполнять задачи, недоступные классическим компьютерам. Центральным элементом в этой области являются квантовые биты, или кубиты, которые могут обладать сверхпозицией и запутанностью. Среди множества подходов к реализации кубитов особое место занимают кубиты, основанные на состояниях Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP). Эти кубиты кодируются в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптического режима и обладают важными преимуществами для построения устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров. Однако практическое воплощение таких состояний сопряжено с масштабными техническими вызовами, прежде всего — в надежном и масштабируемом их создании.
Недавние прорывы связаны с разработкой интегрированных фотонных источников, способных производить состояния GKP непосредственно на полупроводниковых чипах. Такие источники базируются на тщательно оптимизированных кремний-нитридных платформах с крайне низкими потерями, что является критическим фактором для сохранения квантовой когерентности и качества создаваемых состояний. Использование интегрированной фотоники, в отличие от традиционных систем с большими свободно-пространственными оптическими компонентами, позволяет значительно повысить стабильность, уменьшить размеры системы и обеспечить массовое производство, что востребовано для будущих масштабируемых квантовых вычислений. Принцип работы интегрированного источника основан на резонансном усилении процесса спонтанного четырехволнового смешивания (SFWM) в фотонных микрокольцах, связанных в так называемую фотонную молекулу. Этот метод обеспечивает генерацию одиночных модных сквизированных состояний света с высокой степенью чистоты и эффективностью.
Благодаря фотонному переплетению четырех таких сжимающих источников и последующему измерению числа фотонов на трех из выходных каналов с помощью резолюционных детекторов переходного края (Transition Edge Sensors, TES), возможно герольдирование и подготовка искомых GKP состояний. Контроль интерферометрических настроек и интенсивности накачки позволяет программно настраивать тип создаваемого квантового состояния. Одним из ключевых достижений стала демонстрация состояний, в которых одновременно наблюдается не менее четырех четко различимых пиков в координатном и импульсном квадуатрах, что соответствует необходимому уровню кодировки для устойчивости к ошибкам квантовой информации. Кроме того, исследованная структура функции Вигнера свидетельствует о наличии 3 на 3 решетки областей с отрицательным значением, что указывает на высокую степень неглассофицированности, важную для универсальных квантовых вычислений. Помимо конкретного состояния с квадратной решеткой, экспериментальная установка позволяет с помощью выбора регистрационных данных формировать и другие сложные состояния, включая с гексагональной решеткой и Schrödinger cat-состояния, расширяя диапазон приложений.
Для герольдирования состояний используется система с очень высокой эффективностью обнаружения до 99.8% благодаря переосмысленному дизайну и упаковке детекторов TES, работающих при температуре порядка 14 мК. Высокая эффективность детекторов и минимальные потери в интегрированном чипе (около 0.45 дБ при сопряжении с волокном) позволяют поддерживать качество генерируемых состояний и обеспечивают повторяемость эксперимента с частотой около 30 герольдов в секунду. Результаты воспроизводятся при проведении анализа методом квантовой томографии с использованием сбалансированного гомодинного обнаружения, что подтверждает точность и надежность полученных квантовых состояний.
Современные достижения в области изготовления фотонных чипов, выполненных на 300-мм кремний-нитридных подложках, открывают путь к промышленному производству масштабируемых и модульных компонентов для построения фотонных квантовых компьютеров. Повышение качества низкопотерянных волноводов и оптимизация параметров резонаторов способствовали созданию устройств с высоким качественным фактором и превосходными параметрами усиления и стабилизации. Существенным преимуществом подхода с GKP кубитами является возможность реализации универсального набора квантовых логических операций с помощью детерминированных гауссовых преобразований, не требующих криогенной среды и работающих при комнатной температуре. Такое свойство снижает требования к инфраструктуре и делает фотонные квантовые компьютеры более практичными для масштабирования и внедрения в реальные вычислительные среды. Несмотря на впечатляющие результаты, ключевым ограничением остается уровень оптических потерь, который нужно существенно снизить для достижения порога устойчивости к ошибкам на уровне, подходящем для практического квантового вычисления.
Текущие показатели между 78% и 82% передачи по пути от источника до детекторов еще недостаточны для реализации fault-tolerant режимов, однако перспективы оптимизации процессов производства, упаковки и интеграции компонентов дают уверенность в достижении необходимых критериев в ближайшем будущем. Планы на дальнейшее развитие включают в себя уменьшение размеров чипов, повышение уровня модуляции и управления оптическими режимами, а также внедрение методов мультиплексирования и интерактивного улучшения состояний (breeding), позволяющих оптимизировать вероятность успешного формирования высококачественных GKP кубитов. Эти направления поддерживаются теоретическими разработками и моделированием, демонстрирующими возможность построения систем с несколькими сотнями и даже тысячами источников на одном кристалле при сохранении стабильности операций. Интегрированные фотонные источники кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла представляют собой важный шаг к реалистичному фотонному квантовому компьютеру, способному выполнять задачи с высокой степенью отказоустойчивости и масштабируемостью. Совокупность новаторских технологий — от сверхнизкопотерянных кремний-нитридных платформ и специальных микрокольцев до высокоэффективных детекторов переходного края — задает новый стандарт в исследовании и производстве оптических квантовых систем.
В конечном счете, успех реализации фотонных GKP кубитов окажет серьезное влияние не только на квантовые вычисления, но и на квантовую коммуникацию, датчики и другие сферы, связанные с обработкой квантовой информации. Появление надежных и интегрированных источников таких состояний позволит сократить разрыв между теоретическими концепциями и коммерческими решениями, делая квантовые технологии более доступными и применимыми в широком спектре задач.
