Современные квантовые вычисления стремятся преодолеть ограничивающие барьеры, чтобы обеспечить гармоничное сочетание производительности, масштабируемости и надежности. В центре этого стремления стоит разработка устойчивых квантовых битов — кубитов, которые могут эффективно кодироваться и контролироваться с помощью фотонных технологий. Одним из наиболее перспективных направлений в этом контексте является интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill, или как сокращённо его называют GKP-кубиты. Создание и внедрение таких источников, особенно на основе интегрированных фотонных схем, открывает новые горизонты в области квантовых технологий и закладывает фундамент для будущих вычислительных систем с высокой степенью устойчивости к ошибкам. История и фундаментальные принципы GKP-кубитов уходят корнями в предложения Gottesman, Kitaev и Preskill, которые показали, что квантовые состояния, закодированные в бесконечномерных гильбертовых пространствах осцилляторов, могут обеспечить эффективную защиту от ошибок, встречающихся в квантовых устройствах.
В отличие от традиционных кубитов, которые основаны на дискретных состояниях, GKP-коды используют так называемые «сеточные» состояния, расположенные в фазовом пространстве. Эта уникальная структура облегчает реализацию универсального набора квантовых логических операций с помощью относительно простых и устойчивых к ошибкам гейтов. Ключевой проблемы на пути к практическому использованию GKP-кубитов долгое время оставалась сложность генерации качественных и устойчивых к помехам фотонных состояний. Традиционные методы опирались на свободно-пространственные оптические компоненты, которые, несмотря на их эффективность в лабораторных условиях, сталкивались с ограничениями в масштабируемости и интеграции. Сложность адаптации таких систем к промышленным стандартам и их чувствительность к внешним воздействиям препятствовали созданию масштабируемых и надежных квантовых устройств для вычислений и коммуникаций.
Современный прорыв в данном направлении связан с использованием интегрированных фотонных схем, которые позволяют в одном миниатюрном чипе объединить все необходимые оптические элементы для генерации, обработки и детектирования GKP-кубитов. Такой подход обеспечивает ультранизкие потери света, высокую стабильность и массовую воспроизводимость, что является критически важным для практического квантового вычисления. Изготавливаемые из кремния нитридные фотонные чипы на 300-миллиметровых пластинах представляют собой идеальную платформу для интеграции нелинейных источников света, фильтров, интерферометров и иных компонентов с высокой эффективностью. В недавно проведенном эксперименте, с координацией многочисленных научных коллективов, удалось синтезировать и характерезировать GKP-состояния на интегрируемом платформе, работающей в телекоммуникационном диапазоне 1550 нм. Для достижений столь высокой точности и чистоты состояний был использован метод четырёхрежимного гауссового босонного сэмплинга с последующим геральдрованием состояниями по результатам регистрации фотонов.
Выходные фотонные состояния демонстрируют характерные признаки GKP-кодов, включая наличие четырех резольвируемых пиков в обоих квадраторах фазового пространства и наличие решетчатой структуры с четко выраженными негативными областями функции Вигнера, что указывает на высокую степень негасианной квантовой природы этих кубитов. Для регистрации состояний применялись усовершенствованные детекторы переходного края — сверхчувствительные приборы с разрешением по числу фотонов, работающие при низких температурах. Эти детекторы обеспечивают эффективность детектирования до 99%, что существенно повышает надежность геральдрованного измерения квантового состояния и минимизирует ошибки при синтезе кубитов. Дополняет систему тонко настроенная серия Фабри-Перо резонаторов, распределительных интерферометров и фильтров, которые вместе формируют полный стек решений для создания GKP-кубитов высокого качества. Преимущество использования интегрированной платформы выходит за рамки только повышения стабильности и уменьшения потерь.
Интегрированное решение позволяет гораздо проще масштабировать систему — создавать массивные сети из миллионов кубитов, необходимых для выполнения практических и ресурсозатратных квантовых алгоритмов с защитой от ошибок. Возможность программного управления цепью интерферометров и уровнем накачки позволяет динамически перестраивать параметры и адаптировать систему под конкретные задачи, что открывает путь к универсальным фотонным квантовым процессорам. Отдельно стоит отметить, что разработанные GKP-источники не только обеспечивают современный уровень качества кубитов, но и обладают потенциалом к достижению параметров, совместимых с порогом неисправностей, то есть уровнем, при котором квантовый компьютер может работать эффективно с минимальными ошибками. В частности, снижение оптических потерь и повышение эффективности детектирования приведут к увеличению эффективного сжатия состояний излучения, что является ключевым фактором для реализации надежной квантовой логики. Текущие методы основываются на объединении нескольких сжатых состояний света, получаемых с помощью нелинейных процессов типа четырёхволнового смешивания, следом за которыми идёт сложное оптическое взаимодействие с интерферометрами и программируемыми фазовыми сдвигами.
Именно такой каскад режимов и взаимодействий формирует состояние с уникальными сеточными структурными особенностями, характерными для GKP-кубитов. Напряженная работа над технологией изготовления микрорезонаторов позволила добиться высокой добротности и максимальной эффективности выхода света, что снижает внутренние потери и увеличивает качество формируемых состояний. Практическое значение такого достижения несомненно велико. Интегрированные фотонные источники GKP-кубитов представляют собой фундаментальную технологическую опору для построения масштабируемых фотонных квантовых компьютеров, которые сочетают преимущества обработки информации в квантовых состояниях света с высокой производительностью и относительной простотой эксплуатации при комнатной температуре. Они также предлагают перспективы для новых приложений в области квантовой связи и сенсоров, где устойчивость к Gaussian ошибкам и возможность реализации определенных классов вычислительных алгоритмов имеют решающее значение.
Помимо создания кубитов, технология способствует развитию кластерных состояний с расширенной топологией, которые могут быть использованы для измерительной модели квантовых вычислений с устойчивой защитой от шумов и ошибок. Интегрированные фотонные цепи позволяют детально контролировать такие топологии, что нереализуемо в свободно-пространственных оптических экспериментах. Подход с интегрированными фотонными источниками имеет также дополнительное преимущество в плане экономии пространства и электроэнергии. Микрочипы занимают минимальное физическое пространство и требуют значительно меньшее количество внешних компонентов, что упрощает их включение в существующую инфраструктуру и способствует более быстрому промышленному внедрению. Перспективы развития данной области обещают дальнейшее снижение потерь, улучшение детекторов и оптимизацию дизайна фотонных интегральных схем.
