Квантовые вычисления на основе фотонных систем давно привлекали внимание ученых своей способностью реализовывать вычисления с невероятной степенью параллелизма и защищенностью от ошибок. Однако важнейшей технической преградой на пути к созданию полноценных квантовых компьютеров служит необходимость генерировать высококачественные кубиты, устойчивые к шумам и потерям, которые присущи реальному миру. В этом контексте кубиты Готтесмана–Китаева–Прескилл (GKP) стали объектом интенсивных исследований благодаря своей способности обеспечить универсальные квантовые вычисления с помощью относительно простых Gaussian-операций, работающих при комнатной температуре. Кубиты GKP представляют собой особый способ кодирования информации в бесконечномерном пространстве состояний оптического режима. В отличие от традиционных моделей, где каждый кубит связан с идельным двумяуровневым квантовым состоянием, GKP-код использует квантовые состояния, имеющие структуру решетки в фазовом пространстве, что позволяет эффективно защищаться от ошибок, связанных с шумом и потерями.
В основе этого лежит способность реализовывать клиффордские операции с помощью классических компонентов оптических систем, таких как полуволновые пластины, фазовые сдвиги и гомодинные детекторы, что значительно облегчает аппаратную реализацию квантовых вычислений. До недавнего времени эксперименты по генерации оптических GKP-состояний строились на основе свободнонаправленных оптических систем, где приборы и оптические компоненты разворачивались на длинных оптических столах и требовали тонкой калибровки и стабилизации. Такие подходы не обеспечивают масштабируемость, необходимую для построения полезных квантовых компьютеров с большим числом кубитов, поскольку каждая дополнительная оптическая линия требует новых компонентов и увеличивает вероятность неконтролируемых ошибок и потерь. Решением данной проблемы стало использование интегрированных фотонных чипов, которые объединяют все необходимые оптические элементы на миниатюрной полупроводниковой платформе. Одной из передовых разработок в этом направлении является использование чипов на базе кремнийнитридных многослойных структур с размером 300 мм, при этом достигается крайне низкий уровень потерь в волноводах и высокая стабильность оптических свойств.
Такая интеграция позволяет генерировать сложные нелинейные квантовые состояния с высокой степенью воспроизводимости и улучшенной надежностью. Генерация кубитов GKP в интегрированном фотонном чипе происходит с помощью процесса спонтанного четырехволнового смешивания (SFWM), усиливаемого резонаторными структурами типа микроколец с фотонным молекулярным дизайном. Два мощных лазерных импульса подаются на чип, создавая режимы с однородным сжатием квантового шума, которые затем проходят через программируемый интерферометр, формируя многомодовое спутанное состояние, из которого путем селективного измерения отдельных мод с помощью высокоэффективных детекторов с разрешением количества фотонов (transition edge sensors) выделяются искомые GKP-кубиты. Одной из важнейших характеристик экспримента является использование детекторов с эффективностью выше 99%, что значительно повышает точность и вероятность успешного выделения кубитов, а также снижает ошибки при их измерении. Благодаря этому удалось получить визуализацию функций Вигнера для подготовленных состояний с характерной решетчатой структурой негативных и положительных пиков, демонстрируя 3×3 сетку, что является признаком высококачественного приближенного GKP-состояния.
Кроме того, наблюдается минимум четыре разрешимых пика как в импульсной, так и в фазовой квадаратурах, что является необходимым условием достижения рабочей устойчивости к ошибкам. Дальнейший анализ полученных состояний проводился с оценкой так называемых стабилизаторов, которые измеряют соответствие экспериментальных состояний идеальным GKP-кодам. Уровни эффективного сжатия достигнутых состояний указывают на то, что при дальнейшем снижении потерь можно добиться параметров, совместимых с порогами исправления ошибок в устойчивых квантовых вычислениях. Это открывает путь к созданию масштабируемых и эффективно работающих фотонных квантовых процессоров на основе GKP-кубитов. Большим преимуществом интегрированной платформы является возможность массового производства и упаковки оптических чипов в единую систему с высокостабильной подачей и обработкой сигналов, что критически важно для создания полнофункциональных квантовых процессоров с большим числом кубитов.
Кроме того, технология совместима с современными практиками CMOS-фабрикации полупроводниковых устройств, что свидетельствует о потенциале использования наработок полупроводниковой промышленности для квантовой электроники. В перспективе к существующим структурам могут быть добавлены этапы «очистки» и «сборки» квантовых состояний, позволяющие повысить качество генерируемых кубитов путем объединения нескольких источников и применения адаптивных операций, таких как ножничные операции. Эти методы могут существенно увеличить вероятность успешной генерации кубитов, облегчая решение задачи масштабирования Таким образом, интегрированный фотонный источник GKP-кубитов является важным шагом в развитии платформ для фотонных квантовых компьютеров. Помимо вычислительных задач, кубиты GKP находят применение в квантовой коммуникации и сенсинге, что расширяет спектр перспективных технологий, основанных на этой разработке. Ключевыми факторами успешной интеграции и масштабирования фотонных GKP-систем остаются дальнейшее снижение оптических потерь в микрорезонаторах и волноводах, совершенствование детекторов с высоким разрешением и увеличение стабильности лазерных источников.
В сочетании с расширением возможностей программируемых оптических сетей, такие улучшения обещают радикально повысить качество и доступность высококлассных кубитов для практических квантовых задач. Новый эксперимент, демонстрирующий генерацию кубитов GKP на интегрированном фотонном чипе с системой из четырех режимов и продвинутыми технологическими решениями, подтвердила возможности реализации масштабируемых и устойчивых квантовых архитектур. Это способствует формированию экосистемы технологий, способствующих созданию полноценных фотонных квантовых вычислительных устройств, способных удовлетворить растущие запросы в области высокопроизводительных вычислений и защищенной передачи информации. В итоге, интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилл не только открывает новые горизонты для фотонных квантовых компьютеров, но и служит надежным фундаментом для последующих инноваций, способных превзойти нынешние ограничения квантовой инженерии и приблизить нас к эпохе широкого применения квантовых технологий.
