Последние достижения на пути к крупномасштабным интегрированным фотонным квантовым вычислениям

Почему имеют значение крошечные чипы света

Компьютеры, использующие странные законы квантовой физики, обещают решать задачи, с которыми не справляются современные машины — от моделирования молекул до защиты глобальных коммуникаций. Но большинство прототипов занимают целую комнату и хрупки. В этой статье объясняется, как исследователи уменьшают квантовое оборудование, размещая его на фотонных чипах — крошечных схемах, направляющих отдельные частицы света — и как этот подход может сделать мощные квантовые компьютеры и даже «квантовый интернет» практичными. В тексте на ясном, прикладном языке разбираются материалы, ключевые блоки, текущие применения и оставшиеся препятствия.

Свет как носитель квантовой информации

Многие квантовые устройства опираются на атомы или сверхпроводящие петли, но в этом обзоре основное внимание уделено фотонам — единичным частицам света — как рабочим лошадкам квантовых вычислений. Фотоны по своей природе устойчивы к многим видам шума и уже умеют передвигаться на большие расстояния по оптическим волокнам, что делает их привлекательными как для вычислений, так и для связи. Авторы описывают, как фотонные квантовые компьютеры кодируют информацию с помощью «кубитов» или «кьюмодов», используя разные свойства света: по какому пути фотон проходит по чипу, когда он приходит, его цвет (частоту) или поляризацию. Управляя и комбинируя фотоны в тщательно сконструированных схемах, такие чипы могут создавать квантовую суперпозицию и запутанность — ключевые ингредиенты квантовых ускорений.

Материалы, лежащие в основе квантовых фотонных чипов

Создание полезного фотонного квантового чипа начинается с выбора платформы. В статье сравниваются несколько ведущих материалов, каждый из которых имеет свои компромиссы. Кремний, основа современной электроники, обеспечивает сильные оптические эффекты и совместимость с продвинутыми фабриками чипов, но склонен к поглощению света и внесению потерь. Кремний-нитрид мягче относится к свету и позволяет создавать сверхнизкопотери волноводы, что отлично подходит для генерации специальных состояний света, хотя у него слабее нелинейные эффекты. Литий ниобат и его тонкопленочные версии дают мощный контроль над светом с помощью электрических сигналов — идеальны для быстрых модуляторов и генерации сжатого света, ресурса для непрерывно-переменных квантовых вычислений. Другие полупроводники, такие как арсенид галлия и фосфид индия, содержат квантовые точки, которые выступают в роли одноквантовых источников фотонов по требованию. Ни один материал не делает всего сразу, поэтому исследователи всё чаще обращаются к гибридным и модульным архитектурам, комбинируя чипы из разных веществ в одной рабочей системе.

Создание и формирование отдельных частиц света

Для любого фотонного квантового компьютера необходимы надежные источники неклассического света. Обзор описывает две большие семейства таких источников. Вероятностные источники используют нелинейные оптические процессы: интенсивный лазерный свет, проходя через крошечные волноводы или кольцевые резонаторы, время от времени распадается на пару фотонов, которые могут служить «провозглашёнными» одиночными фотонами, когда один партнёр сигнализирует о появлении другого. Инженеры настраивают эти структуры, чтобы повысить яркость и чистоту, одновременно управляя фундаментальным компромиссом между получением большого числа фотонов и сохранением их чисто квантового характера. Детерминированные источники опираются на квантовые точки — наноразмерные «искусственные атомы» в полупроводниках, которые могут испускать по одному фотону на лазерный импульс с чрезвычайно высоким качеством. Интеграция этих точек непосредственно с волноводами и другими компонентами на чипе — активная область исследований, осложняемая необходимостью криогенных температур и точного выравнивания. Авторы также рассматривают источники сжатого света, которые манипулируют случайными флуктуациями света для создания ресурсов непрерывно-переменных квантовых состояний на чипе.

Схемы, выполняющие квантовые трюки

Когда квантовый свет доступен, его нужно точно направлять, смешивать и измерять. Фотонные чипы делают это с помощью набора компонентов: разделителей луча, настраиваемых сдвигов фазы, крошечных кольцевых резонаторов, быстрых модуляторов и встроенных детекторов одиночных фотонов. Комбинируя эти элементы, исследователи продемонстрировали базовые квантовые логические элементы, более крупные программируемые схемы и сильно запутанные «кластерные» и «графовые» состояния, используемые в вычислениях на основе измерений. В обзоре показано, как разные способы кодирования информации — в путях, времени прибытия, цвете или пространственных модах — дают преимущества для конкретных задач, таких как устойчивые дальние коммуникации или компактная, высокоразмерная обработка. Также описываются ранние квантовые сети, где отдельные чипы разделяют запутанность и даже телепортируют квантовые состояния друг другу через оптические волокна, намекая на будущие распределённые квантовые процессоры.

От зашумлённых прототипов к полезным машинам

Современные фотонные квантовые чипы работают в так называемом «шумном промежуточном масштабе», где устройства имеют десятки мод или кубитов и ошибки всё ещё ограничивают их производительность. Тем не менее они уже решают значимые задачи. В статье рассматриваются эксперименты по квантовому моделированию (такие как босонный отбор и квантовые блуждания для моделирования сложных систем), гибридные алгоритмы, сочетающие квантовый чип с классическим оптимизатором, и квантовые версии инструментов машинного обучения, например ядра, нейронные сети и генеративные модели. Эти демонстрации указывают на практические приложения в химии, финансах и анализе данных даже до появления устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров.

Дорога к крупномасштабным квантовым процессорам на свету

Глядя в будущее, авторы выделяют инженерные шаги, необходимые для превращения фотонных прототипов в крупномасштабные, надёжные машины. Оптическая упаковка должна обеспечивать сопряжение чипов с волокнами с минимальными потерями; электрическая упаковка должна управлять сотнями настраиваемых элементов без перегрева; а многочиповые архитектуры должны позволять отдельным модулям для источников, процессоров и детекторов работать вместе бесшовно. Компании и лаборатории идут двумя основными путями к полной корректировке ошибок: схемы на основе «слияния», которые сшивают вместе множество небольших запутанных состояний, и схемы непрерывно-переменных величин, кодирующие информацию в специальных «решётчатых» состояниях света. Оба требуют драматического сокращения потерь фотонов и улучшения качества квантовых состояний по сравнению с доступными сегодня. Если эти задачи будут решены, интегрированные фотонные чипы смогут стать основой не только универсальных квантовых компьютеров, но и будущего квантового интернета, где удалённые процессоры обмениваются запутанностью по оптическим сетям для сверхбезопасной связи и совместного вычисления.

Цитирование: Zhu, H., Chen, T., Ma, H. et al. Recent progress towards large-scale integrated photonic quantum computation. npj Nanophoton. 3, 20 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00114-8

Ключевые слова: интегрированная квантовая фотоника, фотонные квантовые вычисления, источники одиночных фотонов, квантовое машинное обучение, квантовые сети