Квантовые вычисления находятся на пороге революционных изменений в вычислительной науке, обещая кардинальное ускорение решения задач, неподвластных классическим компьютерам. Одним из ключевых блоков успешного построения масштабируемых квантовых машин являются летящие кубиты — квантовые единицы информации, передаваемые фотонами. В этой области интегрированные фотонные технологии и использование особых кодировок, таких как кубиты, основанные на кодах Готтесмана–Китаева–Прескилла (Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP), обещают решить многие насущные проблемы, связанные с устойчивостью и масштабируемостью квантовых систем. Интегрированный фотонный источник GKP-кубитов — это важный шаг на пути к реализации универсальных и практичных фотонных квантовых компьютеров. Появление такого источника на базе сверхнизкопотерянных чипов позволяет значительно повысить качество и стабильность кубитов, одновременно снижая сложность и габариты устройств, необходимых для квантового процессора.
Традиционные методы генерации квантовых состояний света, которые лежат в основе кубитов, во многом опирались на методы с использованием свободно распространяющихся оптических компонентов. Эти технологии, хотя и являются мощным инструментом для фундаментальных исследований, испытывают серьезные ограничения при масштабировании. Их сложность, хрупкость системы выравнивания и повышенная чувствительность к внешним помехам делают такие реализации неподходящими для создания компьютеров с миллионами квантовых элементов. Интегрированные фотонные цепи, в частности на основе кремниевого нитрида, представляют собой платформу, которая с высокой степенью повторяемости и высокой плотностью компонентов способна решить эту задачу. Появление интегрированного источника GKP-кубитов связано с усовершенствованием технологий изготовления чипов с низкими потерями и высокой функциональной насыщенностью.
В основе такого источника лежит сложный фотонный чип, созданный с применением специально разработанных процессов для снижения поглощения и рассеяния фотонов, что позволяет генерировать и манипулировать несколькими режимами света с высоким качеством. Ключевой элемент — массив встроенных микрокольцевых резонаторов, работающих по принципу резонансно усиленного процесса спонтанного четырёхволнового смешивания (SFWM), который генерирует одиночные моды сжатого вакуума, необходимые для создания GKP-кубитов. Затем осуществляется линейное межмодовое интерференционное взаимодействие, формирующее сложные вентильные состояния, подготовленные для герольдирования — уникального процесса, при котором с помощью детекторов с разрешением по числу фотонов фиксируется определённая фотонная комбинация, что сигнализирует о готовности требуемого квантового состояния на выходе. В качестве герольдных детекторов используются сверхчувствительные детекторы переходного края (transition edge sensors), работающие при криогенных температурах и обладающие практически максимальной эффективностью обнаружения весьма близкой к 100%. Такой подход обеспечивает чрезвычайно чистые и детерминированные состояния, что является необходимой предпосылкой для дальнейшего построения устойчивой квантовой логики.
Глубокое понимание и моделирование параметров фотонного источника позволяют оптимизировать настройки микрокольцевых резонаторов и линейных оптических элементов для получения желаемой структуры квантового состояния — определённой формы решётки в фазовом пространстве, лежащей в основе GKP-кода. В частности, удалось получить GKP-состояния с хорошо выраженными четырьмя пиками вероятности как по импульсной, так и по пространственной (фазовой) координате, а также наблюдать чёткие области отрицательных значений функции Вигнера, свидетельствующие о высоком уровне неглассированости и квантовой корректности таких состояний. Продемонстрированные показатели качества позволяют классифицировать результаты как первые практически реализуемые GKP-состояния, подходящие по своим параметрам для интеграции в более масштабные архитектуры и использование в протоколах, гарантирующих устойчивость к ошибкам. Этого достигается благодаря уникальному синергетическому эффекту между подавлением оптических потерь в интегрированной платформе и лазерной стабилизацией, а также эффективному программируемому модулю по перераспределению квантового состояния с помощью оптических разветвителей и фазовых модуляторов. Перспективы развития интегрированных источников GKP-кубитов чрезвычайно масштабны.
Во-первых, такая технология способна стать базисом для создания больших кластерных состояний — так называемых ресурсообразующих состояний, которые используются в измерительном подходе к квантовым вычислениям. Во-вторых, повышенная стабильность и компактность чипов позволит интегрировать множество таких источников параллельно, что критично для создания полноценных fault-tolerant систем, устойчивых к шумам и ошибкам. В-третьих, фотонные архитектуры поддерживают легкость сетевого соединения и обмена информацией между квантовыми процессорами, что открывает пути для реализации распределенных квантовых вычислений и квантовых интернет-сетей. Следующим этапом станет снижение потерь в рамках всей цепочки от источника до детекторов до уровня ниже одного процента, что позволит повысить так называемое эффективное сжатие состояния до 10 дБ и выше — порогового значения, необходимого для fault-tolerance. Улучшение показателей потребуется также для усиления вероятности срабатывания герольдинга, что напрямую влияет на скорость генерации квантовых состояний.
Современные исследования уже предусматривают разработку более компактных и эффективных схем мультиплексирования и «скрещивания» (breeding) квантовых состояний, направленных на повышение выхода и качества GKP-кубитов. Кроме того, широкое распространение криогенных детекторов с высоким разрешением и эффективностью существенно расширит возможности экспериментов по управлению и мониторингу квантовых фотонных систем. Интеграция подобных детекторов в фотонные чипы и дальнейшее развитие криогенной электроники создадут основу для создания модульных и масштабируемых фотонных квантовых платформ. Интересно, что достижения в интегрированной фотонике уже оказывают влияние и на направления квантовой коммуникации и квантового сенсинга, где GKP-кубиты демонстрируют повышенную устойчивость к Gaussian-ошибкам и шумам, что критично для передачи и обработки квантовой информации в реальных условиях. Таким образом, интегрированный фотонный источник кубитов Готтесмана–Китаева–Прескилла представляет собой значимый технологический прорыв, объединяющий достоинства масштабируемости, устойчивости и детерминированности.
Он становится ключевым элементом будущих фотонных квантовых компьютеров, обещающих поднять вычислительные возможности человечества на новый уровень. С развитием этой технологии открываются новые возможности для фундаментальных исследований в области квантовой информации и инженерии, а также для практических приложений в обработке данных, криптографии и высокоточной метрологии.
