Современные квантовые вычисления находятся на пороге качественного скачка, благодаря чему различные платформы и методы создания кубитов становятся предметом пристального изучения. Одним из важнейших направлений в этой сфере являются фотонные архитектуры, основанные на необычных свойствах света для хранения и обработки квантовой информации. Особенно значима роль так называемых кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP), обеспечивающих уникальное кодирование квантовой информации в бесконечномерном пространстве оптического модуса с применением решетчатых структур в фазовом пространстве. Недавнее достижение — интегрированный фотонный источник таких кубитов, воплощённый на основе кремний-нитридных технологических решений, представляет собой важный шаг не только в теории, но и в практическом применении квантовых коммуникаций и вычислений.Потенциал GKP-кодирования в фотонике обусловлен рядом фундаментальных преимуществ, важнейшим из которых является возможность детерминированного осуществления универсальных квантовых операций с кубитами, используя лишь простые гауссовы оптические элементы, включая фазовые сдвигатели, балансные делители и гомодинные детекторы.
Это избавляет квантовые вычислительные схемы от необходимости сложных нелинейных воздействий, придавая архитектуре одновременно гибкость и устойчивость. Важнейшим вызовом до недавнего времени было создание высококачественных GKP-состояний непосредственно в оптической области, которые сохраняли бы все необходимые свойства для использования в масштабируемых и ошибкоустойчивых машинах.Ключ к практической реализации GKP-состояний заложен именно в интеграции. До недавнего времени генерация нелинейных и негауссовых состояний, в том числе кубитов GKP, опиралась обычно на отдельно стоящие оптические компоненты в свободном пространстве. Это создаёт серьёзные ограничения для масштабирования, управления шумами и стабильности работы.
Впервые благодаря применению фотонных интегрированных схем на основе ультранизкопотерь кремний-нитридных чипов, удалось с высокой эффективностью создать источники GKP-квантовых состояний, сочетающие компактность, стабильность и возможности для масштабирования за счёт промышленной совместимости изготовления на 300-мм кремниевых пластинах.Технология основана на использовании спонтанного четворного смешивания волн в резонаторных структурах, реализованных в фотонных молекулах — конструкциях из связанных микроколец резонаторов, оптимизированных для подавления паразитных нелинейных эффектов. Такие модулы генерируют сжатые вакуумные состояния с высокой степенью чистоты и узкополосной временной модой, что критично для последующего контролируемого взаимодействия и формирования квантовых решёток GKP. Излучение, проходя через серию линейных оптических интерферометров, программируемых для создания необходимого запутанного четырехрежимного состояния, подвергается герлдингу с помощью сверхчувствительных детекторов с разрешением по числу фотонов (Transition Edge Sensors), которые позволяют селективно отсекать состояние GKP в одном из выходных каналов, наблюдая определённые шаблоны распознавания фотонов на других выходах.Эксперимент проводится с частотой 200 кГц, что обеспечивает достаточную статистическую значимость сбора данных за счёт фиксированной повторяемости осциллирующих интерференционных паттернов.
Применение настраиваемых термооптических фазовых сдвигателей на чипе позволяет не только стабилизировать генерацию и фильтрацию фотонов, но и конфигурировать мультикомпонентный интерферометр для оптимизации свойств выходных GKP-состояний. Высокая эффективность детекторов, достигающая свыше 99%, вкупе с малыми оптическими потерями в системе (комбинированная трансмиссия порядка 78–82%) обеспечивают возможность отслеживать и восстанавливать параметры состояния с высокой точностью.Результаты эксперимента показывают ярко выраженные признаки GKP-структуры — в распределениях по координате и импульсу наблюдаются минимум четыре хорошо различимых пика, что является фундаментальным условием для обеспечения устойчивости к ошибкам и поддержания когерентности. Кроме того, визуализация функции Вигнера демонстрирует типичную решётчатую структуру, в частности 3х3 сетку регионов с отрицательным значением, что коренным образом свидетельствует о наличии необходимой негaуссовости и ресурса квантовой нелокальности, требуемого для универсальных вычислений. Отличительной особенностью созданного источника является возможность гибко менять состояние путём выбора разных паттернов герлдинга — среди прочих получены состояния в форме «кошек Шредингера» и GKP-состояния с гексагональной решёткой, расширяя палитру поддерживаемых кодов и позволяя создавать более сложные и разнообразные квантовые поверхности.
Анализ качества кубитов ведётся через вычисление так называемых стабилизаторов, являющихся ожидаемыми значениями специфичных сдвигающих операторов в фазовом пространстве. Полученные значения превосходят предельные показатели, достижимые чистыми гауссовыми состояниями, что дополнительно подтверждает успешность создания подлинных GKP-состояний. Эффективное сжатие в квадраторах оценивается на уровне около 0,6 дБ, что в контексте современных экспериментов по фотонным квантовым состояниям является значимым результатом и демонстрирует потенциал дальнейшего улучшения при снижении оптических потерь.Перспективы развития этой технологии связаны с необходимостью уменьшения потерь в оптических каналах — моделирование свидетельствует, что при достижении свыше 99,5% трансмиссии современное устройство сможет производить высококачественные GKP-состояния с эффективным сжатием свыше 9,75 дБ — порогом, необходимым для реализации устойчивых к ошибкам квантовых операций. Параллельно ведутся разработки более компактных и «лестничных» схем интерферометров, позволяющих уменьшить число режимов и повысить общее качество квантового кода.
Важным направлением является также использование схем мультиплексирования и «размножения» (breeding) состояний, что позволит повысить вероятность успешной генерации кубитов и снизить требования к первоначальному качеству отдельных источников.Использование кремний-нитридных платформ даёт дополнительное преимущество в виде промышленной масштабируемости. Фабрикация на 300-мм пластинах и интеграция электрооптических элементов в одном кристалле способствует налаживанию массового производства фотонных чипов с малыми погонными потерями и высокой стабильностью параметров. Это имеет решающее значение для выхода квантовой фотоники из лабораторных условий и внедрения реальных квантовых компьютеров, способных работать при комнатной температуре и сочетать миллионы отдельных кубитов.Платформа позволяет объединять источники в массивы, формируя комплексные кластерные состояния, необходимые для моделей измерительно-базированных квантовых вычислений.
В таких системах GKP-коды выступают преобразователями ошибок и могут активно подавлять влияние шумов, являясь фундаментальным строительным блоком для квантовой сети и транспорта данных на большие расстояния.В конечном счёте появление интегрированных фотонных источников GKP-квбитов знаменует собой огромный шаг вперёд в реализации масштабируемых, мощных и устойчивых квантовых систем. Они устраняют хаотичность и громоздкость классических схем, переходят к компактным и индустриально воспроизводимым элементам. Экспериментальная демонстрация седьмого поколения таких устройств воплощает десятилетия теоретических исследований и современных инженерных инноваций, приближая нас к эре практических квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные традиционным машинам.В будущем вероятно развитие дополнительных методов контроля, оптимизации и быстрого перенастроя фотонных цепочек с помощью программируемых чипов и развитых протоколов коррекции ошибок.
Сочетание таких достижений с преимуществами интегрированной архитектуры обещает открыть новые рубежи квантовых технологий, от сверхбыстрого моделирования молекул и материалов до защитных коммутационных сетей и квантово-устойчивой коммуникации.Таким образом, интегрированный фотонный источник GKP-квбитов представляет ключевое технологическое решение, определяющее траекторию развития квантовой фотоники. Обладая способностью производить сложные квантовые состояния с высокой точностью и надежностью, он закладывает фундамент для построения новых поколений квантовых компьютеров, открывая возможности, которые еще вчера казались исключительно теоретической фантастикой.
