Квантовые вычисления продолжают развиваться с невероятной скоростью, предлагая революционные подходы к обработке информации и решению задач, недоступных классическим компьютерам. Одной из современных и перспективных технологий в этой области стали фотонные квантовые системы, которые используют световые частицы — фотоны — для кодирования и обработки квантовой информации. В основе этих систем лежит возможность создавать, контролировать и измерять неординарные квантовые состояния света. Одним из наиболее многообещающих типов такой кодировки являются кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill, или GKP-кубиты, которые функционально используют квантовые осцилляторы, позволяя реализовать эффективные и устойчивые к ошибкам логические операции на фотонах. GKP-кубиты стали краеугольным камнем концепции квантовых вычислений на основе фотонов, поскольку они позволяют обходить многие ограничения традиционных однопарчиковых состояний, имея высокую устойчивость к Gaussian-ошибкам, включая потери и деформации сигнала.
Применение таких состояний позволяет создавать универсальные наборы квантовых логических вентилей с помощью относительно простых Gaussian-операций, таких как эффекты перемешивания и фазовые сдвиги, а более сложные вычислительные операции площадиются с помощью специально подготовленных состояний, именуемых magic states. Однако одна из основных технических трудностей — создание высококачественных, низкоошибочных GKP-квбитов в оптическом диапазоне с использованием интегрированных фотонных платформ, которые способны обеспечить масштабируемость будущих квантовых вычислительных систем. Недавний прорыв в этом направлении представлен работой команды исследователей, которые впервые смогли синтезировать и проанализировать оптические GKP-кубиты, используя интегрированную фотонную чип-платформу на базе мультислойного кремния нитрида (SiN) на 300-мм подложке. Это стало возможным благодаря уникальному подходу, сочетающему сверхнизкие потери в волноводах, высокоэффективные детекторы с разрешением количества фотонов, основанные на переходных реберных сенсорах (transition edge sensors), и оптимизированные настройки для граничных конфигураций аппарата. В итоге полученные состояния демонстрируют критически важные качественные и количественные признаки, такие как четко разрешаемые пики в нормальных координатах темпа и положения квантовой моды, а также ярко выраженную решетчатую структуру в функциях Вигнера с многочисленными областями с отрицательным значением — признаком высокой неграницированности и сложной негауссовости состояний.
Технологическая база для этого эксперимента основывается на комбинации интегрированных микрорезонаторов, параметрических нелинейных взаимодействий и многоходового интерферометра, способного программируемо формировать сложные многомодовые запутанные гауссовы состояния, после чего с помощью селективного детектирования фотонов происходит геральдирование нужных состояний. Специально разработанный фотонный молекулярный дизайн резонаторов обеспечивает многократное резонансное усиление процесса четырехволнового параметрического смешения (four-wave mixing), создавая одиночномодовые источники сжатого света, обладающие высоким качеством и минимальными паразитными нелинейными эффектами. Последующая линейная оптическая аппаратура реализует многомодовое запутывание с низкими потерями, а на выходе — корреляционное обнаружение фотонов с высоким разрешением по числу, которое проецирует общий многофотонный квантовый выход на требуемое GKP-состояние. Подобный подход гарантирует возможность масштабирования благодаря технологии интегрированных фотонных кристаллов, которая в отличие от классических оптических схем со свободным пространством исключает многие проблемы, связанные с нестабильностью, габаритами и энергоэффективностью. Использование стандартных кремний-нитридных платформ, совместимых с промышленным полупроводниковым производством, позволяет создавать тысячи и миллионы подобных квантовых источников, необходимых для построения полноценных вычислительных кластеров с GKP-кубитами.
При этом важнейшим параметром остаётся низкий уровень оптических потерь на всех стадиях: от генерации, передачи, интерференции до детектирования, ввиду прямого влияния на качество геральдированных состояний и их пригодность для fault-tolerant вычислений. Результаты лабораторного эксперимента впечатляют: удалось получить GKP-состояния с четырьмя чёткими пиками как в импульсах положения, так и импульсах темпа, а также наблюдать решётку из девяти (3×3) районов с отрицательным значением функции Вигнера — ключевой показатель, подтверждающий невозможность эти состояния сымитировать классическими средствами и их пригодность для универсальных квантовых вычислений. Кроме того, параметры детектирования с использованием transition edge sensors достигли эффективностей более 99%, что существенно повышает точность и надёжность экспериментальных данных. Немаловажным вкладом стала разработка оптимизированного цикла стабилизации частоты и фазы с применением оптических частотных гребёнок, который позволяет синхронизировать работу нескольких лазерных источников и фиксировать параметры резонаторов, обеспечивая стабильность и воспроизводимость создаваемых квантовых состояний. Это создает предпосылки для автоматизации и длительной непрерывной работы систем, что важно для будущих масштабируемых квантовых вычислителей.
Исследователи также отметили, что полученные результаты уже сейчас превосходят некоторые предельные показатели гауссовых состояний, что свидетельствует о реальном выходе за рамки классических ограничений. При этом прогнозы моделирования указывают на то, что при дальнейшем снижении потерь в системе (до уровня порядка 0.5% общих потерь по всей цепочке) возможно достижение параметров, соответствующих требованиям к fault-tolerant вычислениям, то есть способных исправлять ошибки и обеспечивать долговременную устойчивость вычислений. В дополнение к кубитам с прямоугольной решёткой были выделены и другие Non-Gaussian состояния, включая кат-состояния и GKP с гексагональной структурой, получаемые при разных схемах геральдирования. Это говорит о гибкости и широте возможностей аппарата для создания различных квантовых ресурсов, что обещает расширение функционала фотонных схем и их адаптацию под разнообразные задачи квантовой информации.
Появление интегрированных фотонных источников GKP-кубитов знаменует собой важный этап на пути к практическим квантовым машинам на базе фотонов. Традиционные платформы, используемые в ионных ловушках или суперпроводящих схемах, хоть и демонстрируют высокое качество создания и хранения подобных состояний, не имеют такой же легкости масштабирования и сетевого соединения, как оптические системы. Именно фотонные реализации обещают связать квантовые процессоры в единую сеть с помощью технологий телекоммуникаций, а также предложить решения, устойчивые к шумам на уровне этих коммуникаций. Основные дальнейшие вызовы лежат в уменьшении потерь в чипах и оптическом оборудовании, улучшении производительности и стабильности детекторов, а также в разработке эффективных методов множественного геральдирования (multiplexing) и «выращивания» (breeding) квантовых состояний для повышения вероятности успешного генерации и качества GKP-состояний. Параллельно активное развитие получает теория квантовой обработки, включая подходы к оптимизации схем, коррекции ошибок и созданию кластерных состояний для измерительной модели квантовых вычислений.
Интегрированные фотонные источники GKP-кубитов открывают путь к фотонным квантовым компьютерам, способным работать при комнатной температуре, с элементной базой, совместимой с современными технологическими процессами и обеспечивающей модульность, масштабируемость и устойчивость к ошибкам. Благодаря таким достижениям, в ближайшие годы мы можем ожидать прогресса в создании полноценных прототипов фотонных квантовых процессоров и, впоследствии, их коммерческого применения в задачах криптографии, оптимизации, моделирования материалов и других областях, где квантовые вычисления обещают революционные преимущества. Развитие интегрированной фотоники в сочетании с улучшающимися технологиями создания высокоэффективных квантовых детекторов и передовыми методами квантовой обработки приводит к тому, что фотонные GKP-системы выходят из лабораторных условий и приближаются к реальному использованию. Это открывает новую эру квантовых технологий, где световые кубиты, управляемые на нанофотонных платформах, обещают стать рабочей лошадкой следующего поколения вычислительных машин. Таким образом, интегрированный фотонный источник GKP-кубитов — это не просто научный эксперимент, а фундаментальный шаг на пути к построению устойчивых, широко масштабируемых и практически применимых квантовых вычислителей.
Их способность сочетать высокое качество, масштабируемость и совместимость с промышленными процессами делает их одним из наиболее перспективных направлений современной квантовой инженерии и фотонной технологии.
