Виртуальная реальность

Интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла: прорыв в квантовых вычислениях

Виртуальная реальность
Integrated photonic source of Gottesman–Kitaev–Preskill qubits

Изучение инновационного интегрированного фотонного источника кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP) открывает новый этап в развитии фотонных квантовых технологий, обеспечивая необходимую масштабируемость, эффективность и устойчивость для создания практических квантовых компьютеров.

Современные квантовые вычисления находятся на пороге революции, связанной с созданием мощных и масштабируемых устройств, способных решать задачи, недоступные традиционным классическим компьютерам. Одним из наиболее перспективных направлений является фотонная квантовая архитектура, использующая световые сигналы для кодирования, обработки и передачи квантовой информации. В этом контексте особое внимание привлекает интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP), который обещает стать ключевым элементом построения устойчивых и масштабируемых квантовых машин нового поколения. Кубиты GKP представляют собой особую разновидность квантового кода, позволяющего эффективно защищать квантовую информацию от ошибок, связанных с воздействием шума и потерями, неизбежными в оптических системах. В отличие от традиционных схем, оперирующих дискретными квантовыми состояниями, GKP-код использует квадратурные переменные света, позволяя обеспечивает универсальный набор квантовых операций на базе детерминированных гауссовых трансформаций.

Такая особенность значительно упрощает реализацию логических гейтов и минимизирует требования к режиму работы, позволяя обслуживать квантовые системы даже при комнатной температуре. Прорывным моментом последнего времени стал успешный экспериментальный синтез оптических GKP-состояний с помощью интегрированной фотоники. В основе лежит инновационная платформа на базе нанофотонных кремний-нитридных чипов, созданных на 300-миллиметровых пластинах, сочетающая ультранизкие потери и высокую стабильность. В таких устройствах реализованы фотонные структуры с детальной проработкой микрорезонаторов и фильтров, обеспечивающих генерацию и обработку четырех мод одиночных сжатых состояний света. Интеграция ключевых элементов на одном кристалле открывает горизонты для масштабирования устройств до миллионов независимых источников, необходимых для практических квантовых вычислительных архитектур.

Для формирования GKP-квбитов применяется методика, основанная на интерференции сжатых состояний и последующем герольдинге с помощью разрешающих фотонное число детекторов высокого разрешения на основе переходных краевых сенсоров (Transition Edge Sensors). Данная стратегия обеспечивает селективное выделение нужных квантовых состояний с характерной структурой в фазовом пространстве — решетчатой распределённостью в квадратах положения и импульса, подтверждаемой наличием негативных областей функции Вигнера. Наличие как минимум четырёх чётко различимых пиков в обеих квадратах является критерием достижения устойчивости к ошибкам и необходимостью для построения масштабируемых и отказоустойчивых вычислительных систем. Эксперимент сопровождался тщательной калибровкой и оптимизацией параметров, включая уровень сжатия (до 10 децибел перед учётом потерь) и настройки программируемого интерферометра с каскадом настраиваемых оптических элементов. Управление фазами и стабильностью обеспечивают комплексные лазерные системы с высокоточной частотной и фазовой синхронизацией посредством оптоэлектронных частотно-фазовых замков и частотно-комбовых технологий.

Это позволило добиться повторяемости и высокого качества наблюдаемых квантовых состояний при частоте повторения 200 килогерц, в ходе которой регистрировались тригерные события герольдинга фотонных детекторов. Особое внимание уделялось снижению оптических потерь на всех этапах — от генерации squeezer-ом состояний до регистрации результатов гомодинного детектирования с эффективностью свыше 97%. Оптическое сопряжение выполнялось с помощью волоконных распределителей и фильтров, минимизирующих попадание паразитного света и обеспечивающих чистоту измерений. Детекторы, работающие при температуре близкой к абсолютному нулю, достигли уровня эффективности свыше 99%, что является беспрецедентным показателем для устройств с подсчетом количества фотонов и позволяет достоверно герольдировать квантовые состояния с высокими коэффициентами отбора. Важной особенностью реализованного устройства стало получение GKP-состояний, способных превосходить предельные показатели, достижимые с помощью чисто гауссовых вариантов.

Специфические показатели стабилизаторов и эффективного сжатия (от 0.4 до 0.8 децибел) указывают на перспективность подхода для достижения пороговых состояний, необходимых для реализации протоколов квантовой ошибки коррекции, обеспечивающих надёжность вычислений в условиях реальных потерь и шума. Кроме того, эксперимент выявил возможность генерации различных видов нелинейных, негауссовых состояний — включая Schrödinger cat-состояния и варианты GKP с гексагональной решеткой, что открывает потенциал для дальнейшей разработки универсальных квантовых процессов и адаптивных алгоритмов по сборке ресурсов квантовых вычислений на базе фотоники. Перспективы развития интегрированных фотонных GKP-источников тесно связаны с улучшением технологий микропроизводства, уменьшением оптических потерь и внедрением методов мультиплексирования и выращивания квантовых состояний.

Использование более компактных и отказоустойчивых 2- и 3-режимных Gaussian boson sampling устройств, в сочетании с последующими этапами «рафинирования» состояний, позволит повысить как вероятность успешной генерации кубитов, так и их качество. Важным направлением является также интеграция таких фотонных источников с программируемыми линейно-оптическими сетями и системами обработки, которые смогут синтезировать сложные кластерные состояния для измерительно-основанной квантовой обработки, тем самым нивелируя масштабные проблемы с детерминированием вычислений и снижая аппаратные требования. Общее значение интегрированного фотонного источника кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла сложно переоценить. Данная технология представляет собой один из наиболее практичных путей к реализации полноценного фотонного квантового компьютера, совмещая высокое качество кодирования, сплоченность архитектуры и перспективы промышленного производства. Развитие подобных систем может не только привести к ускорению квантовых вычислений, но и расширить горизонты применения фотонных систем в области квантовой связи и квантового датирования с новыми уровнями надежности и точности.

В заключение, интегрированные GKP-источники формируют фундаментальную базу для будущего фотонного квантового оборудования, способного обеспечить масштабируемость и устойчивость, необходимые для перехода от лабораторных экспериментов к промышленным решениям. Совместные достижения в области материаловедения, оптоэлектроники и квантовой информатики делают перспективы применения этой технологии крайне многообещающими в ближайшие годы.

Автоматическая торговля на криптовалютных биржах Покупайте и продавайте криптовалюты по лучшим курсам Privatejetfinder.com (RU)

Далее
Kenyan fig trees turn CO2 into rock
Понедельник, 13 Октябрь 2025 Как фиговые деревья Кении превращают углекислый газ в камень и борются с изменением климата

Уникальная способность некоторых видов кенийских фиговых деревьев преобразовывать углекислый газ в кальцит открывает новые перспективы в борьбе с глобальным потеплением и восстановлении почвенных экосистем. Раскрываем научные открытия и практические возможности для экологии и сельского хозяйства.

Show HN: Digital Arrest – Stopping ₹3 Cr Credential Fraud in Real-Time
Понедельник, 13 Октябрь 2025 Цифровой арест: Как технология EveryCRED останавливает мошенничество с удостоверениями на сумму ₹3 крор в реальном времени

Современные цифровые мошенничества, связанные с поддельными удостоверениями личности, становятся серьезной угрозой для безопасности и доверия в обществе. Технология Digital Arrest от компании EveryCRED предлагает инновационные решения для мгновенной проверки и аннулирования подлинности документов и предотвращения финансовых потерь.

OpenBuilds Is Winding Down
Понедельник, 13 Октябрь 2025 Закат Эры OpenBuilds: Что Ожидает Сообщество Сделай Сам и Инновации в CNC

История ухода OpenBuilds, ключевые причины закрытия, влияние на сообщество CNC и мастеров, а также перспективы развития открытых проектов и альтернативных решений для пользователей по всему миру.

Against "Brain Damage
Понедельник, 13 Октябрь 2025 Как искусственный интеллект влияет на наш мозг и мышление: помощь или вред?

Рассмотрение влияния искусственного интеллекта на когнитивные способности человека с акцентом на правильное использование технологий для улучшения обучения, творчества и коллективного мышления.

Post Office scandal may have led to more than 13 suicides, inquiry finds
Понедельник, 13 Октябрь 2025 Шокирующий скандал с Почтой Великобритании: трагедия тысяч операторов и более 13 самоубийств

Исследование раскрывает масштабный скандал с ошибочной IT-системой Почты Великобритании, который привёл к судебным преследованиям, финансовым потерям и трагическим последствиям для тысяч операторов, включая как минимум 13 самоубийств.

At least 10k people affected by Post Office IT scandal as bosses 'maintained
Понедельник, 13 Октябрь 2025 Как ИТ-скандал в Почтовой службе Великобритании затронул более 10 тысяч человек и раскрытие ответственности руководства

Почтовый скандал в Великобритании, вызванный ошибками ИТ-системы Horizon, повлек за собой серьезные последствия для более чем 10 тысяч человек и стал одним из крупнейших примеров судебной ошибки в истории страны. Раскрываются последствия для пострадавших и роль руководства в поддержании спорной системы.

Show HN: UserSupport – Free LiveChat and Voice Assist for the Web
Понедельник, 13 Октябрь 2025 UserSupport: Революция в онлайн-поддержке с бесплатным LiveChat и голосовой помощью для веб-сайтов

UserSupport открывает новую эру в обслуживании пользователей, предлагая бесплатный сервис живого чата и голосовой помощи, который упрощает решение проблем на любом сайте. Узнайте, как этот инструмент помогает миллионам пользователей быстро и эффективно получать поддержку без ожидания и сложностей.