В последние годы квантовые вычисления активно развиваются, предлагая революционные изменения в обработке информации. Особое место в этом процессе занимают фотонные квантовые системы, которые используют свет для кодирования и обработки квантовой информации. Одним из ключевых элементов таких систем являются кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), представляющие собой особый способ кодирования квантовой информации в непрерывных переменных оптического поля. Недавно ученые смогли создать интегрированный фотонный источник этих кубитов, что открывает новые горизонты на пути к масштабируемым, устойчивым к ошибкам квантовым компьютерам.Кубиты GKP принципиально отличаются от традиционных двоичных квантовых битов, поскольку кодируются в квантовых состояниях осциллятора с непрерывным спектром, таким как оптические моды.
Их уникальность заключается в устойчивости к фотонным потерям и шуму, а также в возможности выполнять универсальный набор квантовых операций при помощи простых гауссовских преобразований. Эти преимущества делают GKP-кодирование одним из наиболее перспективных путей к реализации устойчивых и эффективно масштабируемых квантовых систем.Традиционные методы генерации GKP-состояний оптического поля зачастую опирались на сложные свободно распространяющиеся оптические компоненты, что ограничивало их масштабируемость и стабильность работы. Именно выходом из этой ситуации стал разработанный интегрированный фотонный источник на базе кремний-нитридной платформы, изготовленный по технологии 300-мм ваферов. Это решение сочетает в себе низкие оптические потери, высокую стабильность и возможность массового производства, что обеспечивает одновременно качество и повторяемость создаваемых кубитов.
Очевидным технологическим фундаментом эксперимента стала резонансно усиленная спонтанная четырёхволновая смешанная генерация (SFWM) внутри микро-резонаторов — так называемых фотонных молекул. Эта нелинейная оптическая процедура позволяет получить вакуумные сжатые состояния света с высокой степенью чистоты и однородности временного режима, что является важным условием для последующего формирования GKP-состояний. Интеграция таких компонентов на едином чипе снижает потери и шум, присущие структурированиям из отдельных оптических элементов.Особое внимание в создании источника уделялось системе детектирования одиночных фотонов с разрешением числа фотонов методом переходного реберного сенсора (transition edge sensor, TES). Высокая эффективность детекторов — достигающая почти 100% — позволила эффективно сигнализировать о нужных комбинациях фотонных исходов, необходимых для геролдинга GKP-состояний.
Это вместе с программируемым интерферометром и выбором оптимальных параметров на входе обеспечило получение состояний с устойчивой структурой и признаками, требуемыми для построения устойчивых к ошибкам квантовых логических кубитов.Полученные результаты впечатляют качеством достигаемых состояний. В режимах геролдинга, например, с совпадением паттерна (3,3,3) по трем детекторам PNR, в результате получаются кубиты, показывающие чётко выраженную прямоугольную решётку в распределениях в квадратах положения и импульса, а также характерные области соотв. отрицательного значения функции Вигнера. Это служит признаком их сильной неглазсовости, необходимой для универсальной квантовой обработки.
Анализ статистики состояний подтверждает, что полученные кубиты превышают пределы, обусловленные гауссовыми состояниями, демонстрируя уникальный квантовый характер.Немаловажно, что достигнутые уровни сжатия и угловые размеры пиковой структуры позволяют моделировать перспективу достижения режима, совместимого с полной квантовой ошибкоустойчивостью, при снижении внутренних потерь и улучшении сквозной передачи к детекторам. Согласно симуляциям, при достижении потерь менее 1% можно получить кубиты с эффективным сжатием около 10 дБ, соответствующим порогу для fault-tolerant вычислений на основе GKP. Таким образом, текущий эксперимент раскрывает технологический потенциальный путь к производству GKP-кубитов масштабируемым способом.Интегрированный характер источника открывает возможности для масштабирования, ключевого критерия в развитии квантовых вычислительных платформ.
Способность объединять множество идентичных источников и создавать сложные массивы кубитов становится реальностью благодаря использованию кремний-нитридной платформы и созданным технологиям сборки, в том числе использованию многоканальных волоконных соединителей и точной электросхемной интеграции. Программируемый интерферометр на чипе позволяет гибко управлять состояниями, что служит важным элементом для создания сложных кластерных состояний, необходимых для измерительно-управляемых квантовых вычислений.Кроме того, фотонные GKP-кодированные кубиты находят свое применение не только в вычислительных задачах, но и в квантовой коммуникации и квантовом сенсинге. Их естественная устойчивость к гауссовым шумам и потере информации делает их привлекательными для применения в квантовых сетях и детекторах с повышенной чувствительностью. Интегрированный источник такого рода приближает практическую реализацию этих приложений.
Важной составляющей успеха эксперимента стала тщательно продуманная система стабилизации фаз и частот лазеров, обеспечивающая надежную синхронизацию и стабильность работы всего комплекса. Используемая многотональная частотно-фазовая фиксация с частотно-комбовой структурой позволила снизить фазовые шумы до значений ниже трёх градусов, что критично для точного создания многомодовых спутанных состояний.Экспериментальное доказательство возможности стандартного изготовления таких компонентов в соответствии с промышленными требованиями и масштабируемостью производства способствует формированию нового витка развития фотонных квантовых технологий. Использование общедоступных кремний-нитридных валов и проверенных технологических процессов гарантирует повторяемость и надежность устройств, что является фундаментом для коммерциализации.Перспективы дальнейших исследований включают оптимизацию конструкции фотонных молекул, снижение оптических потерь на входе и выходе, интеграцию систем мультиплексирования и дополнительных этапов "очистки" и "склейки" состояний.
Это позволит увеличить вероятности успешного геролдинга GKP-состояний и увеличить качество кубитов для практических вычислительных задач.Интегрированный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill — важный шаг вперед в развитии фотонных квантовых вычислительных систем, отличающийся технологической новизной, высоким качеством создаваемых состояний и масштабируемостью. Разработка такого источника меняет парадигму подготовки квантовых состояний, открывая путь к более надежным, масштабируемым и применимым в реальном мире квантовым машинам. Обладая высокой степенью контроля, возможностью массового производства и технической стабильностью, эти системы способны стать базой будущих квантовых вычислительных платформ, коммуникационных устройств и квантовых сенсорных технологий.Нельзя переоценить роль данного достижения для сферы квантового информационного процесса, одновременно открывающего новые научные направления в физике света и квантовой обработки информации.
Текущие исследования не только подтверждают теоретическую состоятельность подхода, но и предлагают конкретные технические решения, позволяющие перейти от лабораторных прототипов к коммерчески жизнеспособным устройствам.В итоге, объединение интеграции фотоники, передовых технологий детектирования и тщательно разработанных квантовых протоколов обеспечивает надежную платформу для дальнейшего развития фотонных квантовых компьютеров. При поддержке индустриальных технологий кремния нитрида и пятизвездных возможностей квантовой оптики в ближайшем будущем можно ожидать прорывов в создании полноценных фотонных квантовых процессоров нового поколения.
