Современные тенденции в области квантовых технологий всё активнее фокусируются на создании масштабируемых и устойчивых квантовых компьютеров, которые смогут решать задачи, недоступные классическим вычислительным системам. Одним из ключевых элементов таких систем являются кубиты — единицы квантовой информации, способные сохранять и обрабатывать данные в суперпозиционных состояниях. На переднем крае исследований в этой области стоят кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill, известные как GKP-кубиты, которые демонстрируют впечатляющие свойства устойчивости к ошибкам и совместимости с линейно-оптическими системами. Последние достижения в их интеграции на фотонных платформах знаменуют собой важнейший шаг к созданию практического квантового компьютера с высокой производительностью и масштабируемостью. Фотоника как платформа для квантовых вычислений обладает уникальными преимуществами, обусловленными природой света: высокая скорость передачи информации, минимальное влияние шумов и возможность реализации операций при комнатной температуре.
Однако для реализации полноценных квантовых алгоритмов необходимо не просто использовать отдельные фотоны, но и создавать сложные нелинейные квантовые состояния, способные кодировать квантовую информацию с защитой от ошибок. Именно здесь GKP-кубиты проявляют себя как перспективное направление. Они используют непрерывные переменные света, позволяя кодировать дискретные квантовые состояния на основе сетчатых структур фазового пространства. Это обеспечивает стабильность и детерминированность основных квантовых операций с помощью только гауссовых преобразований, таких как сдвиги фазы и смешения лучей. Традиционные методы генерации GKP-состояний опирались на использование свободно-пространственных оптических компонентов, что усложняло масштабирование систем и снижало их надёжность.
Ключевым прорывом стало применение интегрированных фотонных чипов на основе кремнийнитридных платформ, позволяющих значительно снизить оптические потери и упростить конструкцию системы, обеспечивая высокую стабильность и воспроизводимость. Специально разработанный 300-миллиметровый кремнийнитридный чип с ультранизкими потерями в сочетании с чувствительными к числу фотонов детекторами типа transition edge sensors (TES) позволяет создавать и гербировать сложные четырехмодовые энтанглдены состояния света, которые в итоге формируют GKP-кубиты в оптическом режиме. Одна из особенностей данной технологии — использование усиленного процесса параметрического нелинейного взаимодействия света, известного как спонтанное четырехволновое смешение (SFWM), реализуемого с помощью интегрированных микрокольцевых резонаторов. Такая конфигурация оптимизирована для подавления паразитных нелинейных эффектов и получения сжатых вакуумных состояний с высокими значениями сжатия, достигающими порядка 10 децибел перед потерями. Далее сформированные сжатые состояния проходят через программируемый линейно-оптический интерферометр, формируя сложную многомодовую запутанность, необходимую для генерации GKP-состояния при применении селективного поствыборочного (гербированного) измерения тремя детекторами TES, имеющими возможность разрешения числа фотонов.
Высокое разрешение и эффективность детекторов TES, достигающая почти 99.9%, позволяют надёжно фиксировать нужные шаблоны регистрации фотонов, которые однозначно указывают на успешное создание искомого квантового состояния. Это является критическим элементом для повышения качества и частоты генерации кубитов. В сочетании с оптимизированной схемой программирования интерферометра, это обеспечивает возможность выбора и синтеза различных вариантов GKP-состояний, включая прямоугольные и гексагональные решётки, что важно для адаптации кодирования квантовой информации и повышения его устойчивости к ошибкам. Результаты эксперимента на интегрированном чипе демонстрируют наличие у сгенерированных состояний ключевых признаков для реализации устойчивого квантового кодирования: многопиковые распределения вероятностей в квандрупольных проекциях p и q, а также чётко выраженные области отрицательной плотности функции Вигнера, указывающие на высокий уровень невыполнимости классическим подходом.
Пиковая структура с четырьмя разрешимыми максимумами в обеих координатах — это необходимое условие для приближения идеальных GKP-кубитов, которые по теории обеспечивают надежную защиту от ошибок и достижение порогов квантовой коррекции. Одним из важнейших вызовов, связанных с реализацией оптических квантовых компьютеров, является минимизация потерь в оптической цепи от формирования квантового состояния до его измерения. В данном проекте общая пропускная способность системы достигает 78–82%, что является высоким показателем для интегрированных фотонных систем такой сложности. Более того, моделирование показывает, что при дальнейших улучшениях, повышающих передачу свыше 99.5%, можно достигать качества кубитов, необходимого для fault-tolerant — режима, когда ошибки автоматически корректируются и не сказываются на вычислениях.
Технологический процесс изготовления фотонных чипов опирается на стандарты полупроводникового производства высокого уровня, что открывает возможности для массового тиражирования подобных устройств. Контроль потерь и параметров компонентов, таких как направленные ответвители, оптические фильтры и фазовращатели, достигается за счёт использования сложных методов оптической и электронной упаковки. Интеграция с оптоволоконными интерфейсами и электронными драйверами термооптических фазовращателей обеспечивает гибкое управление и масштабируемость. Важную роль играет и стабилизация фазовых и частотных параметров лазеров, используемых для накачки нелинейных процессов и локальных генераторов гомодинных детекторов. В эксперименте применяются сложные системы фазовой блокировки, обеспечивающие минимальный уровень шума и стабильность работы, что критично для получения высококачественных квантовых состояний.
Генерация GKP-кубитов в оптической области открывает новые перспективы не только для вычислительных приложений, но и для квантовой связи и квантовых сенсоров. Интегрированные фотонные источники могут стать основой для сетей квантовой коммуникации с улучшенной защитой информации и повышенной чувствительностью измерительных устройств. К тому же, отсутствие необходимости криогенных условий для работы фотоонных элементов упрощает инфраструктуру и снижает затраты. Несмотря на достигнутые успехи, перед дальнейшим внедрением и масштабированием технологий GKP-кубитов на интегрированных фотонных платформах остаются технические вызовы. Среди них — обеспечение ещё более низких потерь, увеличение скорости генерации кремниевых чипов, усовершенствование методов мультиплексирования для повышения вероятности успешной генерации, а также интеграция с последующими стадиями коррекции ошибок в архитектуре квантового компьютера.
В частности, разработаны концепции «рафинирования» и «скрещивания» квантовых состояний с целью повышения качества кубитов и вероятности их получения, что будет реализовано на более продвинутых этапах развития системы. Опыт текущих экспериментов демонстрирует основу для этих технологий за счёт богатого набора состояний, получаемых при различных комбинациях детекторных исходов. Будущее интегрированной фотоники для квантовых вычислений связано с возможностью создания массивов сотен тысяч и миллионов независимых источников GKP-кубитов на единой платформе. Это позволит создавать крупномасштабные квантовые ресурсы на основе кластерных состояний, реализуемых с помощью простых гауссовых операций между источниками, что существенно упростит архитектуру и повысит надёжность всей квантовой системы. Интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляет собой важнейший шаг на пути к практическому и масштабируемому фотонному квантовому компьютеру.
Успешная демонстрация синтеза и диагностики таких состояний на базе кремнийнитридных платформ с использованием высокочувствительных фотонов разрешающих детекторов даёт уникальную возможность для дальнейшего развития квантовых технологий в области вычислений, связи и сенсоров. Совместная эволюция материалов, производства, оптоэлектроники и теории квантовой информации будет определять перспективу создания доступных и надёжных квантовых устройств в ближайшие десятилетия.
