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.