Квантовые вычисления продолжают привлекать внимание ученых и инженеров всего мира, обещая произвести революцию в обработке информации и решении задач, не поддающихся современным классическим компьютерам. В основе таких вычислений лежат квбитовые системы, которые способны принимать множество состояний одновременно, обеспечивая параллелизм и мощность квантового компьютера. Одним из наиболее перспективных квбитовых кодов является код Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), использующий непрерывные переменные и предлагающий эффективные решения для создания отказоустойчивых квантовых систем. Недавние прорывы в разработке интегрированных фотонных источников GKP-квбитов обладают потенциалом кардинально изменить подходы к квантовым вычислениям и их масштабированию. Суть GKP-кодов заключается в кодировании информации не в дискретных бинарах, а в квантовом состоянии гармонического осциллятора, что позволяет использовать непрерывные переменные, такие как положения и импульсы фотонов.
Такая схема обладает встроенной устойчивостью к ошибкам, что является критическим фактором для практических квантовых компьютеров. Использование оптических фотонов в этом контексте особенно выгодно: они функционируют при комнатной температуре, обеспечивают высокую скорость передачи и упрощённую интеграцию с существующими технологиями на базе оптоволоконных систем. Однако истинный вызов для создания достаточно качественных и стабильных GKP-состояний заключается в их генерации и контроле. Традиционные методы оптической реализации зачастую полагались на развернутые свободно-пространственные установки, которые хоть и демонстрировали концептуальную возможность, были неудобными с точки зрения масштабируемости и интеграции. Для преодоления этих преград современные исследователи сосредоточили усилия на разработке интегрированных фотонных схем, которые способны генерировать сложные негауссовы состояния света с минимальными потерями и высокой степенью контроля.
Одним из значимых достижений стало создание интегрированного устройства на основе кремния нитрида, изготовленного по специальной технологии на 300-миллиметровой пластине. Такая платформа сочетает ультранизкие оптические потери, необходимые для сохранения квантовой когерентности, и высокую плотность интеграции, что открывает возможности для массового производства. На чипе реализован массив из четырёх источников одиночного режима сжимающего света, которые затем подвергаются линейным интерференционным операциям, создавая многоуровневые запутанные состояния. Ключевым элементом генерируемого процесса является резонансно усиленное спонтанное четырехволновое смешивание (SFWM) в интегрированных микрокольцах с тщательно спроектированной «фотонной молекулярной» структурой. Эта архитектура специально оптимизирована для подавления паразитных нелинейных эффектов и обеспечения высокой чистоты и режимной однородности квантовых состояний.
Полученные сжимающие состояния являются почти чистыми в одном временном и пространственном режиме, что крайне важно для последующего синтеза GKP-состояний. Генерируемый многофотонный квантовый ансамбль проходит через программируемый линейный интерферометр, реализованный на том же чипе, где происходит окончательное формирование квбитового кода. Детектирование завершается выделением трех плечей выхода с помощью фотонно-числовых счетчиков на основе переходной edge-сенсорной технологии (transition edge sensor, TES) с очень высокой эффективностью — порядка 99%. Такие детекторы не только обеспечивают точное распознавание числа фотонов, но и способствуют получению состояний с отрицательными регионами в функции Вигнера, что является признаком высокой негауссовой природы и важным ресурсом для универсального квантового вычисления. Комплексный экспериментальный цикл состоит из серии циклов с частотой повторения 200 кГц, где для каждого такта фиксируются результаты детектирования числа фотонов и одновременно измерения квадратурной переменной исходного фотонного режима с помощью балансной гомодинной детекции.
Данные агрегируются для различных комбинаций обнаружения фотонов, что позволяет реконструировать состояние квбита с высокой точностью и выявить его ключевые характеристики, такие как решетчатая структура функции Вигнера и стабильность по стейбилизаторам GKP. Результаты эксперимента продемонстрировали создание GKP-состояния с четырьмя хорошо разрешимыми пиками как в положении, так и в импульсе. Это указывает на качественную аппроксимацию идеального кода и ключевые свойства, необходимые для квантовой ошибки устойчивости. Значения эффективного сжатия квадратур указывают на возможность достижения порога отказоустойчивости при дальнейшем уменьшении оптических потерь в системе. При трансмиссии свыше 99,5% прогнозируется, что устройство сможет генерировать квбиты с эффективным сжатием свыше 9,75 дБ, что соответствует теоретическим требованиям к полнофункциональной ошибкоустойчивой квантовой вычислительной машине.
Помимо прямого создания GKP-квбитов, эксперимент показал возможность генерации и других важных состояний с нелинейной природой, таких как кот-состояния Шредингера и квбиты с гексагональной решетчатой структурой, что расширяет функциональный спектр интегрированной фотоники и открывает перспективы для гибкого управления и подготовки необходимых ресурсов для различных квантовых алгоритмов. Технологические особенности изготовления чипа заслуживают особого внимания. Использование процессного цикла совместимого с промышленным производством открывает двери для масштабирования и интеграции функционального комплекса на базе CMOS-технологий. Минимизация потерь на уровне отдельных элементов интерферометра, фильтров и ввод-выводных связей с оптоволокном успешно реализована, обеспечивая общую эффективность и прагматичность устройства с точки зрения потребления ресурсов и теплонагрузки. Детекторы TES, работающие в криогенных условиях при нескольких милликелвинах, благодаря тщательно оптимизированной структуре и улучшенным методам упаковки демонстрируют стабильно высокие показатели эффективности, которые существенно превосходят предыдущие системы.
Это критический фактор для повышения качества и достоверности подготовки квантовых состояний, а также для реализации параллельных многоквбитовых систем. Перспективы развития данной области внушительны. Сокращение оптических потерь и внедрение методов мультиплексирования, а также оптимизация алгоритмов программирования интерферометров и распознавания состояний позволит перейти к генерации более сложных кластерных состояний на базе GKP-кодов. Это станет фундаментом для создания масштабных фотонных квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные классическим устройствам. Одним из важных направлений является интеграция устройств для «очистки» квбитов и последующей адаптивной подготовки магических состояний, необходимых для реализации универсальных квантовых операций.
