Современные квантовые технологии неуклонно движутся к созданию систем, способных революционизировать вычислительные возможности человечества. Одним из ключевых факторов успеха в этой области является разработка надёжных и масштабируемых способов кодирования и обработки квантовой информации. В центре внимания последних достижений находится инновационная технология, основанная на кубитах, закодированных в рамках Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) — уникальном подходе к представлению квантовых данных в оптических системах. Квантовые вычисления на базе фотонов имеют ряд неоспоримых преимуществ, среди которых — высокая скорость передачи информации и возможность работы при комнатной температуре, что значительно упрощает инфраструктурные требования по сравнению с системами, использующими сверхпроводниковые или ионные платформы. Однако для создания практичного и масштабируемого квантового компьютера на фотонной базе необходимы ресурсы, обеспечивающие высококачественное состояние кубитов и возможность выполнения универсального набора квантовых операций с минимальными ошибками.
Кубиты GKP представляют собой особую форму квантовых состояний, которые используют непрерывное пространство волновых функций света, позволяя кодировать дискретную информацию с высокой степенью устойчивости. Этот тип кодирования обладает важным преимуществом — возможность реализации универсальных квантовых логических операций с использованием детерминированных и относительно простых гaуссовых операций, таких как фазовые сдвиги и интерференция на оптических элементах. Кроме того, GKP-код устойчив к основным типам ошибок, включая потери и шум в оптических системах. До недавнего времени создание GKP-состояний оптических кубитов оставалось крайне сложной задачей. Предшествующие эксперименты чаще всего требовали громоздких систем с использованием свободного пространства и оптических компонентов, что стало серьёзным препятствием для масштабирования.
Новаторским решением стала интеграция всех необходимых элементов на одном чипе, что повышает стабильность, уменьшает потери и значительно увеличивает потенциал для массового производства. Недавнее достижение учёных связано с созданием ультранизкопотерьного фотонного интегрированного чипа, изготовленного на основе модифицированной технологической платформы из нитрида кремния. Важной особенностью является использованная структура, позволяющая одновременно генерировать несколько одиночных сжимаемых состояний света, которые затем с помощью программируемого интерферометра образуют сложное многомодовое квантовое состояние с полным контролем параметров. Выходное состояние моделируется как четырёхмодовый Gaussian Boson Sampling (GBS) источник, который при обнаружении определённых наборов фотонов в трёх из четырёх мод, с помощью чрезвычайно эффективных датчиков на основе переходных краёвевых сенсоров с разрешением по количеству фотонов, позволяет «геролдировать» (то есть объявить о наличии) GKP-квантовое состояние в оставшемся оптическом канале. Такой подход сочетает в себе преимущества интеграции, высокой скорости повторения эксперимента (200 тысяч циклов в секунду) и значительной эффективности фотонных детекторов (до 99,8%), что значительно повышает производительность и качество выходных квантовых состояний.
Обеспечивается четыре различимых пика в распределении координат и импульсов — важнейшее условие обеспечения устойчивости к ошибкам и достижения режима исправления ошибок, необходимого для надёжных квантовых вычислений. Одним из поразительных результатов стало формирование сетчатой структуры с негативными областями в функциях Вигнера, которые свидетельствуют о наличии необходимых для универсальности иعدمклассической природы состояний осциллятора. Полученные квадратурные распределения и Wigner-функции соответствуют 3х3 сетке, что является ключевым показателем приближения к идеальному GKP коду. Уникальность экспериментальной платформы заключается также в высокой степени контроля над параметрами: за счёт точной стабилизации частоты лазеров, продуманной архитектуры фотонного чипа и технологии распределения мощностей линейного интерферометра. Применение современных методов управления фазой и квантовой интерференции позволяет не только создать требуемые состояниe GKP, но и обеспечивать возможность адаптации и масштабирования системы за счёт мультиплексирования и оптической логики на базе того же интегрированного чипа.
Несмотря на впечатляющие успехи, исследователи отмечают, что для перехода к полностью отказоустойчивым квантовым вычислениям необходимо дополнительно снизить потери в оптических каналах до уровня менее одного процента. Тем не менее, даже в текущем состоянии система продемонстрировала качество состояний, превосходящее пределы чисто гауссовых состояний, что является существенным шагом на пути к практическому применению GKP кубитов. Перспективы развития технологий интегрированных фотонных источников для GKP кубитов открывают новые горизонты. Создание массивов таких источников, объединённых в сложные сети с дополнительными операциями по очистке и накоплению квантовой информации, даёт шанс построить масштабируемые фотонные квантовые компьютеры с высоким уровнем контроля ошибок. Кроме того, GKP-состояния находят применение в квантовой связи и сенсорах, где их устойчивость и универсальность открывают возможности для создания защищённых и чувствительных систем.
Интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman-Kitaev-Preskill является ключевым технологическим достижением в области квантовых вычислений и квантовой оптики. Его реализация сочетает в себе передовые методы фотонного дизайна, лазерной стабилизации, сверхвысокочувствительной детекции и оптимизации квантовых состояний, что позволяет преодолевать фундаментальные ограничения традиционных подходов. Переход на фотонные интегрированные платформы знаменует новую эру в разработке квантовых устройств высокой производительности, которые могут быть адаптированы под различные архитектуры и аплеты для решения сложных вычислительных задач. Такая модульность и масштабируемость крайне важны для достижения практических квантовых систем, способных изменить многие отрасли науки и техники. Таким образом, современные достижения в области синтеза и использования GKP кубитов на интегрированных фотонных платформах предоставляют фундамент для развития следующего поколения квантовых технологий.
Они открывают путь к созданию надёжных, компактных и масштабируемых квантовых процессоров, способных работать в реальных условиях вне лаборатории и демонстрировать квантовое превосходство при решении прикладных задач.
