В современном мире квантовые вычисления становятся одной из самых перспективных и стремительно развивающихся областей науки и техники. Главной задачей на пути создания полноценных квантовых компьютеров является разработка надежных и масштабируемых источников кубитов — фундаментальных единиц квантовой информации. В этой теме особое внимание привлекают кубиты, основанные на кодах Gottesman–Kitaev–Preskill (GKP), которые предлагают эффективный способ кодирования квантовой информации в оптических состояниях света с устойчивостью к ошибкам. В последние годы ученые добились значительного прогресса в синтезе таких состояний, а недавняя демонстрация интегрированного фотонного источника GKP-кубитов подняла вопрос масштабируемости и практической реализации этих систем на новый уровень. Понимание сути технологии и ключевых направлений развития представляет значительный интерес для специалистов и поклонников квантовых технологий.
Кубиты Gottesman–Kitaev–Preskill — это особый тип кодирования, основанный на использовании непрерывных переменных оптического поля. Эти состояния создаются в бесконечномерном гильбертовом пространстве оптических мод, что позволяет реализовать универсальный набор квантовых операций при помощи относительно простых и детерминированных гауссовых операций, таких как фазовые сдвиги, интерферометры и гомодинные измерения. Главное преимущество таких кубитов — повышенная устойчивость к ошибкам, возникающим от оптических потерь и других неконтролируемых факторов, что принципиально для построения коррекции ошибок и достижения порога безошибочного квантового вычисления. До недавнего времени генерация GKP-состояний в оптическом диапазоне осуществлялась с помощью свободно-пространственных оптических компонентов, что серьезно ограничивало их масштабируемость. Свободно-пространственная оптика — сложная в настройке и чувствительная к внешним воздействиями система — плохо подходит для интеграции большого числа элементов, необходимого для практического квантового компьютера.
Решить эту проблему удалось благодаря созданию интегрированных фотонных платформ на основе кремнийнитрида, позволяющих изготавливать высококачественные, низкопотерьные и стабильные оптические цепи с возможностью масштабирования для многомодовых систем. В основе передового эксперимента лежит фотонный чип, произведенный на 300-миллиметровой кремнийнитридной подложке с использованием специализированных методов производства, оптимизированных для минимизации оптических потерь, что является одним из главных ограничений в создании качественных GKP-состояний. На чипе реализованы микро-ring резонаторы, которые усиливают нелинейные процессы спонтанного четырёхволнового смешивания (SFWM) для генерации сжатых состояний света, необходимые для последующего создания GKP-кубитов. Параллельно с чипом используются современные сверхчувствительные детекторы числа фотонов — переходные edge-сенсоры (Transition Edge Sensors, TES), обладающие эффективностью регистрации до 99,8%, что позволяет с высокой точностью фиксировать количественные аспекты фотонного потока и реализовывать схему heralding — условного формирования искомого состояния на одном из оптических каналов после определенного количества зарегистрированных фотонов в других режимах. Синтез GKP-состояния происходит в несколько этапов.
На начальном этапе четыре сжатых состояния света проходят через интерферометр с программируемыми параметрами, который реализует необходимое линейное преобразование мод. Далее один из выходных оптических каналов выбирается для генерации кубита, а три других подлежат измерению детекторами количества фотонов. Комбинация регистрируемых фотонных счетов служит условием (геральдом) для успешной генерации заданного кубита Gottesman–Kitaev–Preskill. Такой подход демонстрирует возможность управляемого, пусть и вероятностного, но воспроизводимого и поддающегося улучшению источника GKP-кубитов. Результаты эксперимента выделяются несколькими важными характеристиками.
Синтезированное состояние демонстрирует основополагающие свойства для устойчивого кодирования с четырьмя отчётливыми пиками в распределениях квантовых величин — координатного (q) и импульсного (p) квандратур — и очевидную сеточную структуру отрицательных областей в квантовой функции Вигнера. Последний параметр является индикатором неглассости состояния, необходимого для универсального квантового вычисления. Сетка отрицательных пиков образует 3×3 решетку, что свидетельствует о высокой степени нелинейности и качественных характеристиках подготовки GKP-состояний. Одним из ключевых аспектов, который удалось оценить в ходе работы, является уровень потерь в системе. Совокупные измеренные потери, включающие оптические компоненты на чипе, волоконные интерфейсы и детектирование, оказались в диапазоне 18–22%.
Такая величина ограничивает максимальное качество сгенерированных кубитов. Однако симуляции показывают, что при снижении потерь ниже отметки 0,5% становятся возможны генерации GKP-состояний с эффективным сжатием выше 9,75 дБ — порогом, необходимым для реализации отказоустойчивого квантового вычисления. Это открывает перспективы дальнейшей оптимизации чиповой платформы и компонентов вокруг неё для достижения практического уровня качества. Помимо результатов, непосредственно относящихся к кубитам, в работе был продемонстрирован целый «зоопарк» нелинейных состояний, в том числе и фотонные коты (cat states), а также состояния с шестиугольной решёткой, что указывает на универсальность и гибкость используемого подхода. Возможность конфигурировать и контролировать параметры интерферометра и сжатых источников позволяет в будущем расширять спектр доступных состояний, создавая фундамент для комплексных квантовых алгоритмов и коммуникационных протоколов.
Технические детали эксперимента включают распределение нескольких лазерных источников с чрезвычайно строгой фазовой и частотной стабилизацией, формирование узкополосных импульсов и их синхронизацию с частотой 200 кГц, а также сложную систему обратной связи для стабилизации режимов резонаторов на чипе и параметров интерферометра. Гомодинные измерения, проведённые для полной томографии состояния, опираются на локальный осциллятор с настраиваемым фазовым сдвигом, позволяющими реконструировать полную плотность вероятностей из статистики квантовых измерений с высокими доверительными интервалами. Развитие интегрированной фотоники для квантовых вычислений — ключевая область, на которую все чаще обращают внимание как научные учреждения, так и промышленные игроки. Использование кремнийнитридных платформ позволяет не только снижать потери, но и интегрировать в едином чипе источники сжатого света, фильтры, переключатели и интерферометры с микрорезонаторами, что существенно снижает физический масштаб систем и повышает стабильность. Комбинация таких платформ с детекторами, способными не только регистрировать отдельные фотоны, но и разрешать их количество, создаёт условия для значительного шага к практическому квантовому компьютеру.
Важно отметить, что GKP-кодирование считается одним из наиболее перспективных направлений среди одноразмерных босонных кодов, позволяющим эффективно исправлять ошибки. Методология, представленная в эксперименте, может стать основой для построения многомодовых кластерных состояний, которые реализуют измерительно-ориентированную квантовую обработку с высоким уровнем коррекции ошибок. Это в свою очередь снизит требования к аппаратной части и ускорит переход от лабораторных исследований к полноценным вычислительным устройствам. Перспективный путь развития заключается в снижении потерь компонентов, оптимизации схем мультиплексирования и увеличении частоты повторения экспериментов. По мере улучшения технологии можно ожидать создание массивных массивов синхронизированных GKP-источников, которые вместе с технологиями «вырощивания» и «улучшения» состояний смогут обеспечить необходимые ресурсы для масштабных и устойчивых квантовых вычислений.
Таким образом, данная работа не только демонстрирует ключевой технологический прорыв, но и укладывает фундамент для будущих архитектур квантовых компьютеров с оптическими кубитами. Кроме того, появляется потенциал для применения GKP-состояний и в других областях квантовой науки — например, для квантовой связи на больших расстояниях, создания квантовых повторителей и высокочувствительных датчиков. В сочетании с совместимостью с комнатной температурой и возможностью интеграции подобные решения открывают новые горизонты практического использования квантовых технологий в реальных условиях. В резюме, интегрированный фотонный источник кубитов Gottesman–Kitaev–Preskill представляет собой важный шаг к построению масштабируемых, надежных и универсальных квантовых вычислительных систем. Использование кремнийнитридных платформ с низкими потерями, современных фотонных детекторов и сложных интерферометров позволяет синтезировать высококачественные нелинейные квантовые состояния, необходимые для реализации эффективной коррекции ошибок и универсальных операций.
Постепенное совершенствование технологий и процессов, связанных с управлением потерь, стабилизацией и масштабируемостью, обещает скорое появление практических квантовых компьютеров на основе фотонных кубитов, что откроет новые возможности в вычислениях, связи и измерениях.
