Квантовые вычисления — одна из самых перспективных и быстроразвивающихся областей науки и технологий в XXI веке. Особое место в ней занимает фотонная архитектура, использующая свет для создания, обработки и передачи квантовой информации. Среди множества способов кодирования квантовых битов, или кубитов, выделяется подход, связанный с кубитами Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP). Эта методика предлагает эффективную защиту информации от ошибок и упрощение реализации универсальных квантовых логических операций. Современные исследования демонстрируют значительный прогресс в создании интегрированных фотонных источников таких кубитов, что знаменует этап с высокой степенью практической реализации квантовых технологий.
Кубиты GKP впервые были предложены как способ кодирования квантовой информации в непрерывных переменных — координате и импульсе фотона, а точнее в квантовом осцилляторе. В отличие от классических объединений отдельных фотонов, GKP использует многомерный фазовый пространство с сеточной структурой, где логика кубита формируется не дискретными фотонами, а специфическими квантовыми состояниями с определённой периодичностью. Такая кодировка обеспечивает естественную устойчивость к шуму и ошибкам, включая типичные ошибки, возникающие из-за потерь оптического сигнала или флуктуаций параметров лазерного излучения. Базовым элементом создания кубитов GKP является генерация специальных квантовых состояний света, обладающих характерной сеточной структурой в фазовом пространстве, что отражается, в частности, в форме их функции Вигнера. Традиционные лабораторные установки для синтеза таких состояний использовали свободно распространённые оптические компоненты, такие как зеркала, ленточные фильтры и оптические волноводы, что обусловливало значительные сложности в масштабировании сборки и обеспечении стабильности.
Интегрированные фотонные чипы представляют революционный шаг вперёд, позволяя миниатюризировать и стабилизировать процесс создания сложных квантовых состояний с высокой степенью точности и воспроизводимости. На переднем крае исследований находится интегрированное фотонное устройство, созданное на платформе кремний нитридных (SiN) мультислойных чипов, применяемых в микроэлектронике. Эти чипы имеют ультранизкие потери на распространение света, что является критическим параметром для реализации квантовых технологий, где каждый потерянный фотон или деформация состояния существенно снижают качество вычислений. Разработка рассчитана на использование четырех независимых каналов генерации сжатых состояний света через спонтанное четырехволновое смешивание (SFWM) в интегрированных микрованных резонаторах, которые обладают продвинутой архитектурой для подавления паразитных нелинейностей и оптимизации параметров. Одной из ключевых особенностей данной технологии является программируемый интерферометрический модуль на чипе, позволяющий управлять сильным переплетением четырех мод квантового света и реализовать гетеродинное детектирование выхода.
В отличие от традиционных подходов, этот метод предусматривает герольдинг (heralding) состояния — условное формирование целевого квантового состояния, которое подтверждается обнаружением конкретных фотонных паттернов на трех из четырех выходных каналов с помощью передовых детекторов переходного края (transition edge sensors). Они обладают беспрецедентной эффективностью регистрации фотонов с разрешением по числу, что критично для генерации состояний с точной квантовой структурой. Экспериментальная реализация продемонстрировала получение кубитов GKP с чёткой сеточной структурой как по координате, так и по импульсу, характерной для так называемого прямоугольного фазового решёта. В условиях повторения эксперимента в тысячах циклов в секунду, произведена выборка с подходящей вероятностью герольдинга, подтверждающая стабильность системы. Анализ восстановленного квантового состояния с помощью гомодинного томографирования выявил явные признаки нелинейной квантовой интерференции и негативности функции Вигнера — ключевой индикатор истинно квантовых свойств и пригодности в вычислительных процессах.
Ключевым результатом является достижение высоких значений эффективного сжатия в обеих квадратах фазового пространства — параметра, непосредственно влияющего на точность и надёжность кодирования информации. Несмотря на присутствие потерь и технических ограничений, потенциал устройства находится на грани достижения пороговых значений, необходимых для реализации отказоустойчивых квантовых операций с кубитами GKP. Перспективы развития технологии связаны с дальнейшим снижением оптических потерь в интегрированных компонентах и усовершенствованием схем мультиплексирования и «выращивания» состояний (breeding), что позволит оптимизировать одновременную вероятность герольдинга и качество образцов кубитов. Массовая интеграция таких источников на кристалле потенциально откроет путь к созданию масштабируемых фотонных квантовых компьютеров, работающих при комнатных температурах и без сложных криогенных сред, что является важным конкурентным преимуществом. Важна не только вычислительная область — узлы сетей квантовой связи и датчики высокой точности, использующие квантовые свойства света, могут значительно выиграть от применения GKP кубитов и фотоинтегрированных решений для их генерации и обработки.
Устойчивость к Gaussian ошибкам и углубленная кодировка состояния расширяют функциональные возможности, создавая фундамент для новых квантовых протоколов передачи и защиты информации. Сочетая достижения в области лазерной стабилизации, нанооптического брендинга и идей теоретического моделирования, исследователи создают комплексное решение, которое успешно интегрирует производство сложных квантовых состояний в промышленные масштабные пайплайны. Платформа напечатанных фотонных чипов, обладающая коммерческой совместимостью на 300-миллиметровых вафлях, открывает доступ к высокотехнологичным производственным средствам и массовому распространению устройств. В целом, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляет собой значимое достижение в направленности на практическую реализацию масштабируемых фотонных квантовых вычислительных систем. Он обеспечивает единство надёжности, управляемости и высокой квантовой функциональности — факторов, без которых прогресс в этом направлении оставался бы невозможен.
Современные результаты открывают перспективы эффективного внедрения фотонных квантовых процессоров, которые смогут расширить границы информационных технологий и предложить принципиально новые методы вычислений в будущем.
