Интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill: новый рубеж квантовых вычислений

Интервью с лидерами отрасли

Современные квантовые вычисления стремятся к созданию устойчивых и масштабируемых технологий, которые смогут превзойти классические компьютеры в решении сложных задач. Одним из ключевых компонентов таких систем являются кубиты — квантовые биты, которые реализуют элементарные единицы квантовой информации. Среди различных способов кодирования кубитов особое внимание получают состояния Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), предназначенные для эффективного и надёжного представления квантовой информации в оптических системах. Недавно разработанный интегрированный фотонный источник GKP кубитов открывает новые возможности и углубляет перспективы построения fault-tolerant — отказоустойчивых — квантовых машин на базе фотоники. Традиционные подходы в квантовых вычислениях во многом базируются на использовании однофотонных состояний и схемах с линейной оптикой, однако они сталкиваются с рядом ограничений.

В частности, реализация универсальных логических операций зачастую оказывается недетерминированной, а эффективность синтеза исходных кубитов подвержена потерям и требует сложных методов мультиплексирования. Кроме того, интеграция таких систем часто требует низких температур, что усложняет масштабирование. В отличие от этого, кодировка GKP, основанная на представлении кубитов в бесконечномерном пространстве колебательных мод осциллятора, позволяет реализовать основные калибровочные операции детерминированно с помощью только гауссовских преобразований — например, с использованием фазовых сдвигов, бимаска и гомодинного измерения — выполняемых при комнатной температуре. GKP состояния характеризуются специфической структурой в фазовом пространстве, напоминающей двумерную сетку с чётко различимыми пиковыми компонентами в координатных и импульсных квадратах. Наличие отрицательных областей в их Wigner функции свидетельствует о неклассической, неголоморфной природе состояний и служит ключевым индикатором пригодности к универсальному квантовому вычислению.

Однако практическая генерация таких состояний в оптической области до недавнего времени была затруднена из-за необходимости сложной и нестабильной оптики свободного пространства. Новым этапом в развитии фотонных квантовых технологий стала реализация интегрированного подхода к созданию фотонных источников GKP кубитов на базе кремний-нитридных платформ. Применение мультиуровневой технологии на 300-миллиметровых пластинах с тщательно оптимизированным протеканием сигналов позволяет снизить оптические потери до рекордных значений, что критично для сохранения качественного давления сжатия и недопущения деградации квантовых свойств. Интеграция микрокольцевых резонаторов, реализующих усиление через четырёхволновое взаимодействие, даёт возможность создавать сжатые состояния с высокой степенью чистоты и спектральной однородности. Сердцем такой системы становится специализированный фотонный интегральный чип, включающий в себя синхронную цепочку из четырёх независимых сжимающих модулей и программируемый линейный интерферометр.

Настраиваемые параметры интерферометра и уровень сжатия определяют, какие именно GKP состояния будут синтезированы на выходе. Важным этапом выступает событие герральдинга — выборка состояния на одном из выходов, осуществляемая с помощью точных детекторов фотонов с разрешением по числу, построенных на базе переходных теплосенсоров. Эти сенсоры демонстрируют детектирующую эффективность до 99,8%, позволяя с высокой вероятностью фиксировать световые кванты и сведя к минимуму ошибочные срабатывания. Экспериментальная схема предусматривает фильтрацию и стабилизацию множества лазерных каналов для создания коротких, синхронных импульсов с необходимыми фазовыми и частотными характеристиками. Электрооптическое воздействие обеспечивает когерентную фазовую привязку компонентов, что крайне важно для точного формирования интерферометрических состояний.

Входные лазерные импульсы подаются в микрокольца для порождения сжатых состояний, которые затем проходят через программируемую сеть, где осуществляется многомодовое запутывание. Итоговый сигнал выходит через волоконные интерфейсы в высокоточные детекторы, а для проведения дальнейшей квантовой томографии осуществляются гомодинные измерения. Результаты экспериментов впечатляют — полученные состояния обладают ярко выраженной структурой с минимум четырьмя различимыми пиками в обеих квадратах, а Wigner функция демонстрирует сетку отрицательных областей в формате 3 на 3. Такое качество достигается несмотря на существующие потери и шумы, и анализ показывает, что при снижении потерь ниже отметки 1% система сможет производить GKP состояния, пригодные для применения в полноценной отказоустойчивой квантовой архитектуре. Одной из уникальных особенностей изделия является возможность перенастройки параметров интерферометра, что позволяет готовить состояния с различными геометриями решёток в фазовом пространстве — например, прямоугольными или гексагональными.

Это расширяет спектр применимых кодов и способствует развитию методов улучшения качества за счёт «очистки» состояний и адаптивных схем мультиплексирования. Такие методы существенно повышают вероятность успешной генерации кубитов и облегчают подготовку ресурсов для масштабных квантовых сетей и вычислительных платформ. Технологическая база, на которой построен этот фотонный чип, совместима с широким набором современных производственных процессов, используемых в полупроводниковой индустрии. Это открывает путь к массовому производству источников с гарантированной низкой дисперсией параметров и стабильной производительностью. Благодаря высокой степени интеграции отпадает необходимость использовать разветвлённые оптические системы свободного пространства, что значительно снижает габариты и повысивает устойчивость решений.

С точки зрения эффективности детектирования ключевая роль отводится переходным теплосенсорам, работающим при криогенных температурах — порядка 14 милликелвинов. За годы оптимизации эмиссионных структур, материальных стеков и оптических интерфейсов удалось добиться почти полного захвата фотонных потоков и точного разрешения количества фотонов в импульсе. Это существенно улучшает точность герральдинга и расширяет спектр доступных для генерации состояний. Гомодинные измерения, совмещённые с программируемым формированием временного и спектрального профиля локального осциллятора, позволяют проводить детальную квантовую томографию выходных состояний. Использование 32 фазовых настроек локального осциллятора и миллионы повторных измерений дают возможность получить плотности вероятностей со статистической значимостью и выявить все характерные признаки GKP мелкоструктурированных состояний.

Эксперимент сочетает в себе современные достижения нескольких ключевых направлений: фотонную интеграцию, сверхчувствительную фотодетекцию, лазерные технологии стабилизации, а также методы квантовой обработки сигналов. Этот подход полностью устраняет тяжелые ограничения, характерные для систем свободного пространства, и прокладывает прямую дорогу к масштабируемым решениям в области фотонных квантовых компьютеров. Важным аспектом является совместимость с будущими масштабируемыми архитектурами, предполагающими использование массивов исправленных ошибками кластерных состояний, построенных из GKP кубитов. Как описывается в теоретических моделях, использование таких состояний открывает доступ к универсальному набору квантовых операций с детерминированным характером при помощи только устойчивых гауссовских приборов. В итоге это значительно снижает требования к дополнительным ресурсам и упрощает реализацию сложных нелинейных преобразований.

Развитие фотонной платформы с интегрированным источником GKP кубитов позволяет также рассматривать новые возможности применения вне вычислительных задач. Например, такие состояния обещают существенные преимущества в области квантовых коммуникаций по каналам с шумами, а также в высокоточных сенсорных технологиях, где критична устойчивость к ошибкам и малое влияние потерь. Несмотря на достигнутые успехи, остаются задачи, требующие дальнейшего развития. Снижение оптических потерь в компонентах чипа и системе детектирования — главная из них. Кроме того, расширение схем сжатия и совершенствование методов программирования интерферометра повысят качество и вариативность генерируемых состояний.

Важную роль сыграет также интеграция с последующими стадиями «очистки» и многократного использования состояний для повышения качества и надёжности кубитов. Перспективы включают адаптацию технологий к работе при более высоких скоростях повторения импульсов, расширение числа мод и разработку мультиплексирующих схем для увеличения общего выхода кубитов на секунду. Совместная разработка с другими платформами квантовых вычислений, такими как сверхпроводниковые цепи и ионные ловушки, усилит потенциал гибридных систем с объединёнными преимуществами. По мере уменьшения потерь и повышения степени сжатия фотонный интегрально-оптический источник GKP кубитов способен стать базовой технологией для будущих фотонных квантовых вычислительных машин, обеспечивающей высокую устойчивость к ошибкам, операцию при комнатной температуре и возможность масштабного производства с помощью стандартных полупроводниковых технологий. Это открывает новую эпоху в квантовой информатике, выводящую фотонику на ведущие позиции среди платформ для построения практических и мощных квантовых компьютеров.

Таким образом, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill является ключевым технологическим прорывом, который соединяет теоретические преимущества GKP кодов с практической реализацией в масштабируемом, надёжном и технологичном формате. Его реализация знаменует собой новый рубеж в развитии квантовой техники и задаёт вектор движения для исследований и инженерных разработок на ближайшее будущее квантовых вычислений и квантовой коммуникации.