Квантовые вычисления открывают новые горизонты в области обработки информации, предоставляя возможности, недоступные классическим компьютерам. Одной из ключевых задач на пути к созданию полноценных квантовых компьютеров является надежная генерация квантовых состояний, способных служить единицами квантовой информации — квбитами. Среди множества схем кодирования квбитов особое место занимает класс состояний, предложенный Готтесманом, Китаевым и Прескиллом (GKП), который сочетает в себе большой потенциал для реализации универсальных и устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Современные достижения позволили интегрировать фотонные источники таких кубитов на одном чипе, что представляет собой важный шаг к масштабируемым и практичным квантовым устройствам. Фундаментальных отличием GKП кубитов является их кодировка в бесконечномерном Гильбертовом пространстве квантового осциллятора, то есть, на оптические или микроволновые моды света.
Такой подход позволяет реализовывать операции из универсального набора квантовых логических вентилей при помощи лишь гауссовых оптических инструментов, таких как фазовые сдвиги, смешивание и гомодинное обнаружение. Это резко упрощает аппаратную часть по сравнению с альтернативными схемами, где необходимы нелинейные взаимодействия и криогенные условия. Кроме того, GKП состояния обладают природной устойчивостью к гaуссовым ошибкам, которые часто возникают в оптических системах — в частности, они сохраняют кодовое пространство при небольших потерях и шуме. Традиционные способы создания оптических GKП кубитов базировались на свободно-пространственных оптических установках, включающих сложные системы зеркал, линз и детекторов, что усложняло их масштабирование и практическое применение в промышленных условиях. Важным прорывом стало использование интегрированных фотонных чипов, которые позволяют миниатюризировать всю оптическую схему, обеспечивая высокую стабильность, низкие потери и возможность массового производства.
Ключевым элементом таких чипов является платформа из кремния нитрида, созданная по технологии 300-мм пластин с тщательной оптимизацией для снижения оптических потерь, что критически важно для генерации качественных кубитов. В основе создания GKП кубитов на чипе лежит использование четырёхрежимного источника свёрнутого света, который проходит через линейно-оптический интерферометр с программируемыми параметрами. Такой подход известен как четырёхрежимный гауссовский бозоновский сэмплинг (GBS). Свёрнутые состояния формируются при помощи спонтанного четвёртого волнового смешивания в фотонных микрорезонаторах, выполненных по инновационной «фотонной молекулярной» архитектуре, позволяющей подавлять паразитные нелинейные процессы и обеспечивающей высокую эффективность преобразования света. Каждый из четырёх squeezers генерирует почти однородный временной режим свёрнутого вакуума с показателями сжатия до 10 дБ, что является высоким качеством для подобных систем.
После генерации свёрнутых состояний свет взаимодействует в линейно-оптической схеме, которая выполнена в виде каскадной «лестницы» на интегрированной платформе с перенастраиваемыми направляющими волноводами и термооптическими фазоcдвигателями. Три из четырёх выходных мод направлены на детекторы с разрешением по числу фотонов — переходные краевые сенсоры, которые имеют рекордно высокую эффективность (до 99.8%) и способны четко фиксировать количество пришедших фотонов. Совокупность результатов обнаружения на этих трёх режимах используется как «сигнал» о том, что в четвёртом режиме образовалось искомое GKП состояние. В свою очередь, состояние четвёртого выхода анализируется с помощью высокоточного гомодинного детектора, который позволяет реконструировать квантовое состояние методом томографии.
Реализация всего комплекса технологий и компонентов позволила получить GKП кубиты со всеми характерными признаками, необходимыми для применения в устойчивых к ошибкам квантовых вычислительных архитектурах. Ключевым показателем является наличие как минимум четырёх хорошо различимых пиков в распределениях квадратурных значений (позиция и импульс), а также наличие структуры негативных областей в функции Вигнера — фундаментального признака проявления квантовой нелинейности и негауссовости. В исследовании продемонстрирована решётка из девяти отрицательных пиков в фазовом пространстве (3×3), что является важным достижением на пути к созданию надежных кубитов GKП. Результаты включают также успешную генерацию других видов негауссовых и сложных состояний света, таких как Schrödinger cat-состояния, с помощью различных комбинаций детекторных исходов. Такая гибкость свидетельствует о потенциале масштабируемых и перепрограммируемых фотонных чипов для создания широкого спектра квантовых состояний, необходимых для различных задач квантовых технологий.
На пути к промышленной реализации GKП кубитов важно снижать оптические потери во всех звеньях цепи от генерации до детектирования. Текущие показатели колеблются в пределах 18–22% потерь, что ограничивает качество получаемых состояний — их эффективное сжатие составляет порядка 0.62 дБ по симметричным квадратаурам. Однако моделирование показывает, что при достижении совокупной эффективности более 99.5% можно создавать GKП состояния с более чем 9.
75 дБ эффективного сжатия — уровня, достаточного для практического применения в устойчивых квантовых вычислениях. Для дальнейшего повышения качества и вероятности успешной генерации кубитов разработана концепция «рафинирования» состояний: путём объединения множества источников и использования методов адаптивного сжатия и домножения состояний можно добиться как повышения качества кодов, так и увеличения успешности генерации, что критично для масштабируемых архитектур. Также требуется уменьшать технический шум, стабилизировать фазы и обеспечивать точное программирование интерферометров, что уже реализуется с помощью высокоточного лазерного оборудования и продвинутых фотонных технологий. Интеграция всех этих компонентов на одной чип-платформе открывает перспективы производства сотен тысяч и миллионов параллельных кубитов, что является необходимым условием для реализации полноценных квантовых процессоров. Использование кремния нитрида и современных методов микролиофабрикации гарантирует масштабируемость, совместимость с существующими полупроводниковыми технологиями и высокую инновационную отдачу.
Подобные достижения выводят фотонные квантовые вычисления на совершенно новый уровень, предлагая путь, при котором можно обойти ограничения, присущие ионным и сверхпроводниковым системам, такие как сложность масштабирования и необходимость криогенных условий. Оптические квантовые устройства работают при комнатной температуре и обладают естественной возможностью к интеграции с существующими сетями передачи данных и телекоммуникациями. Не менее важны и перспективы применения GKП состояний в квантовой связи и квантовых сенсорах. Высокое качество и устойчивость к ошибкам «сеточных» состояний делают их привлекательными для построения защищённых каналов передачи информации и высокочувствительных измерений, превосходящих классические ограничения. В совокупности, интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла стал важной вехой на пути к практическим, масштабируемым и устойчивым квантовым вычислениям и коммуникациям.
Он сочетает в себе передовые достижения в фотонике, нелинейной оптике, квантовой теории и приборостроении, предлагая яркое будущее для квантовых технологий основанных на световых импульсах. Основные вызовы на предстоящем этапе связаны с дальнейшим снижением потерь, масштабированием количества источников, совершенствованием детекторов и развитием методов управления сложными квантовыми сетями. Тем не менее, достижения последних лет демонстрируют, что эти задачи решаемы, и создание универсальных фотонных квантовых компьютеров на основе GKП кубитов становится вопросом ближайших лет. Таким образом, интегрированные фотонные платформы для генерации GKП состояний — это ключевой вклад в революцию квантовых технологий, который обещает изменить подходы к вычислениям, передаче данных и измерениям, делая квантовые преимущества доступными для широкого круга приложений и индустрий.
