В последние годы квантовые вычисления приобрели огромный импульс в научной и технологической сферах благодаря возможностям, которые они открывают в области обработки информации и моделирования сложных систем. Одним из ключевых направлений в этой области является использование оптических систем, в частности фотонов, в качестве носителей квантовой информации. Среди множества подходов к кодированию квантовых битов (кубитов) особое место занимает кодировка Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP), которая предлагает устойчивую и универсальную схему для построения квантовых логических операций. Однако реальная реализация таких кодов в оптическом домене сталкивается с рядом технических вызовов, связанными с генерацией и контролем необходимых состояний света. Исторически создание GKP-состояний для квантовых вычислений осуществлялось при помощи свободно-пространственных оптических компонентов, что существенно ограничивало масштабируемость и стабильность систем.
Интегрированные фотонные технологии, основанные на кремниевых нитридных (SiN) платформах, обеспечивают перспективу преодоления этих ограничений благодаря возможности встроенной конструкции компактных, низкопотерьных и надежных фотонных схем высокого уровня интеграции. Недавние разработки в интегрированной фотонике позволили создать источники GKP-кубитов непосредственно на кристалле с использованием сверхнизкопотерьных многоуровневых SiN-платформ. Эти интегрированные устройства могут синтезировать сложные оптические мульти-модовые состояния, необходимые для формирования «решётчатых» квантовых состояний с четко выраженной структурой в фазовом пространстве. Ключевой технологической основой здесь является резонантно усиленная четырехволновая смешка (spontaneous four-wave mixing, SFWM) в цепях микрокольцевых резонаторов, позволяющая настраивать уровень сжатия и фазы генерируемых состояний с высокой точностью. Для обнаружения и герлаации (герцогенерации) состояний применяются сверхчувствительные детекторы с разрешением числа фотонов — переходные суперпроводниковые детекторы (transition edge sensors, TES), обладающие эффективностью выше 99%.
Последовательность работы устройства заключается в генерации четырёх одномодовых сжатых вакуумных состояний, последующем их сплетении при помощи программируемого линейного интерферометра и пирхотной герцоляции на трёх выходных модах. Согласно результатам экспериментов, определённые счетные паттерны регистрируемых фотонов коррелируют с образованием GKP-состояния на оставшемся выходном моде, что подтверждается томографией с применением сбалансированной гомодинной детекции. Основные характеристики таких синтезированных GKP-кубитов включают наличие не менее четырёх потенциальных пиков в распределениях по координатам импульс-квантование q и импульсной квантовании p, а также выраженную структуру W-функции с негативными областями, расположенными в виде двумерной решётки. Наличие негативности в W-функции свидетельствует о высокой негауссовости состояний, что является необходимым ресурсом для универсальных квантовых вычислений. Эти структурные признаки указывают на то, что созданные состояния обладают качеством, достаточным для перспективной реализации схем квантовой устойчивости к ошибкам.
Одним из наиболее значимых преимуществ интегрированной реализации является её масштабируемость. Изготовление фотоны в массиве на 300-миллиметровых кремниевых нитридных пластинах, совместно с развитием методов волоконного сопряжения и микроэлектронного управления, позволяет потенциально выпускать миллионы источников GKP-кубитов. Это создает предпосылки для построения кластерных состояний и модулей для машин квантового вычисления большой мощности, что существенно облегчает переход от лабораторных демонстраций к практическим системам. Реализованное устройство работает при длине волны в диапазоне 1550 нм, что соответствует стандартам современной оптической связи и дает совместимость с существующими технологиями волоконной передачи данных. Использование продвинутых схем стабилизации фазы и высокой точности управления параметрами насаждения обеспечивает надёжность и повторяемость синтеза нужных волновых состояний.
В перспективе снижение оптических потерь в устройстве является ключевым направлением для достижения пороговых значений, необходимых для полной устойчивости к ошибкам в квантовых вычислениях. Согласно моделированию, достижение коэффициента передачи более 99,5% позволит получать GKP-состояния, которые превосходят необходимые уровни «эффективного сжатия» и подходят для реализации полноценных квантовых логических операций в фотонном домене. Многие исследовательские группы также рассматривают схемы «рафинирования» и умножения источников, при которых множество исходных GKP-состояний объединяются и подвергаются дополнительной обработке для повышения вероятности успешной генерации конечного состояния с улучшенными свойствами. Такие стадии могут включать регуляривые операции на основе измерений и усиления нелинейности посредством «breeding»-процессов, что открывает путь к построению устойчивых квантовых сетей. Винтажных аналогов данного подхода можно встретить в экспериментах с ионами в ловушках и сверхпроводниковыми цепями, однако преимущества фотонных архитектур в области скорости, совместимости с телекоммуникационными сетями и масштабируемости делают интегрированную фотонику более привлекательной для создания будущих квантовых компьютеров.
Подводя итог, интегрированные источники кубитов GKP, основанные на ультранизкопотерьных кремниевых нитридных фотонных платформах и поддерживаемые сверхчувствительными TES-сенсорами, представляют собой важный технологический шаг вперёд на пути к универсальным и масштабируемым оптическим квантовым вычислениям. Эти достижения открывают широкие возможности не только в области фундаментальных исследований квантовой информации, но и в приложениях, связанных с безопасной коммуникацией, квантовым сенсором и оптимизацией сложных вычислительных задач. Новые горизонты в изучении и развитии этой технологии включают улучшение интеграции с модулями квантовой памяти, разработку более сложных схем генерации и контроля многомодовых квантовых состояний, а также внедрение в полнофункциональные модульные платформы для построения квантовых вычислительных машин будущего. Успешная реализация таких концепций обещает фундаментальное изменение подходов к обработке информации, способствуя эпохе квантовой революции.
