Фотонные квантовые компьютеры

Фотонный квантовый компьютер — это тип квантового вычислительного устройства, в котором в качестве носителей квантовой информации (кубитов) используются отдельные фотоны (кванты электромагнитного поля), а квантовые операции (логические гейты) реализуются посредством линейной и нелинейной оптики, интерференции и измерения состояния фотонов.

Фотонные квантовые компьютеры относятся к классу универсальных или специализированных квантовых вычислителей, основанных на принципах квантовой механики. В отличие от сверхпроводящих или ионных платформ, где кубиты представляют собой макроскопические квантовые объекты (токи, ионы), фотонные кубиты являются фундаментальными частицами, что даёт ряд преимуществ, включая слабую декогеренцию и возможность работы при комнатной температуре. Основные физические реализации фотонных кубитов: поляризация фотона (горизонтальная/вертикальная), временные или частотные моды, а также пути распространения (пространственные моды).

История развития

Ранние идеи (1980–1990-е)

Концепция использования фотонов для квантовых вычислений была предложена в 1980-х годах. В 1982 году Ричард Фейнман указал на возможность квантового моделирования с помощью фотонов. В 1994 году Питер Шор разработал алгоритм факторизации, что стимулировало поиск физических реализаций. В 1997 году Дэвид Дойч и Артур Экерт предложили схему квантовых вычислений на основе линейной оптики, но она требовала нелинейных взаимодействий между фотонами, что технически сложно.

Прорыв с линейной оптикой (2001)

В 2001 году Эмануэль Книлл, Герард Милберн и Джон Райфл (KLM-протокол) показали, что универсальные квантовые вычисления возможны с использованием только линейных оптических элементов (делители пучка, фазовращатели, зеркала) и детекторов одиночных фотонов, при условии использования постселекции (отбора успешных событий). Это стало теоретической основой для большинства современных фотонных архитектур.

Первые экспериментальные демонстрации (2000–2010)

В 2003 году группа под руководством Эндрю Уайта (Австралия) продемонстрировала двухкубитный вентиль CNOT на фотонах. В 2007 году группа Антона Цайлингера (Австрия) реализовала квантовую телепортацию и первые простые квантовые алгоритмы (алгоритм Дойча-Йожи). В 2010-х годах началась разработка интегрированных фотонных чипов на кремниевых и ниобат-литиевых платформах.

Современный этап (2018–2024)

В 2020 году китайская группа под руководством Чаоян Лу (Университет науки и технологий Китая) продемонстрировала квантовое превосходство на фотонном компьютере «Цзючжан» (Jiuzhang). Система решила задачу выборки бозонов (Gaussian Boson Sampling) за 200 секунд, что, по оценкам, заняло бы у классического суперкомпьютера 2,5 миллиарда лет. В 2023 году был запущен «Цзючжан 3.0» с 255 детектируемыми фотонами, что значительно превзошло предыдущие результаты. В 2024 году компания Xanadu (Канада) представила прототип Borealis — фотонный квантовый компьютер на 216 сжатых состояний, способный решать задачи бозонной выборки.

Физические принципы и устройство

Кубиты на фотонах

Фотон — это квант электромагнитного поля, не имеющий массы и заряда. Для квантовых вычислений используются следующие степени свободы фотона:

• Поляризация: два ортогональных состояния — горизонтальная (H) и вертикальная (V) поляризация. Это наиболее распространённый тип кубита.
• Путь: фотон может находиться в одном из двух (или более) пространственных модов (например, левый/правый канал в волноводе).
• Время: временные бины (ранний/поздний импульс).
• Частота: различные частотные моды.

Линейные оптические элементы

Основные компоненты фотонных схем:

• Делители пучка (BS) — разделяют фотон по двум путям с заданным коэффициентом пропускания.
• Фазовращатели — изменяют фазу волны.
• Зеркала и призмы — направляют свет.
• Интерферометры (например, Маха-Цендера) — создают интерференцию между фотонами.

Источники одиночных фотонов

Для работы необходимы источники, генерирующие одиночные фотоны по требованию. Используются:

• Спонтанное параметрическое рассеяние (SPDC) в нелинейных кристаллах (BBO, KTP) — рождение пар фотонов (сигнальный и холостой).
• Квантовые точки — полупроводниковые наноструктуры, излучающие одиночные фотоны при возбуждении.
• Атомные системы (одиночные атомы в оптических резонаторах).

Детекторы одиночных фотонов

Ключевой элемент — детекторы, способные регистрировать единичные фотоны с высокой эффективностью (до 95% для сверхпроводниковых нанопроволочных детекторов SNSPD) и низким уровнем шума. Используются также лавинные фотодиоды (APD) и детекторы на основе фотоумножителей.

Квантовые гейты

В фотонных компьютерах гейты реализуются через интерференцию фотонов на делителях пучка. Например, двухкубитный вентиль CNOT требует одновременного взаимодействия двух фотонов на специальном интерферометре (например, схема KLM с постселекцией или схема на основе нелинейного кристалла). Универсальные наборы гейтов: CNOT, Hadamard, фазовый сдвиг.

Классификация фотонных квантовых компьютеров

По типу решаемых задач

• Универсальные: способны выполнять произвольные квантовые алгоритмы (например, алгоритм Шора, Гровера). Требуют большого числа кубитов и низких ошибок. Пока не реализованы в практическом масштабе.
• Специализированные (аналоговые): оптимизированы для конкретных задач, таких как бозонная выборка (Gaussian Boson Sampling) или моделирование молекулярных систем. Примеры: «Цзючжан», Borealis.

По архитектуре

• Блочные (bulk optics): используют свободное пространство, зеркала, кристаллы. Громоздки, но позволяют достичь высокой точности.
• Интегрированные фотонные схемы (PIC): чипы на кремнии, ниобате лития, нитриде кремния. Масштабируемы, компактны, но имеют ограничения по потерям и точности.
• Гибридные: комбинация фотонных и электронных компонентов (например, для управления и считывания).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Слабая декогеренция: фотоны слабо взаимодействуют с окружающей средой, что обеспечивает длительное время когерентности (микросекунды и более).
• Комнатная температура: не требуется криогенное охлаждение (кроме детекторов SNSPD, которые могут работать при 2–4 К, но источники и схемы — при комнатной).
• Высокая скорость: фотоны движутся со скоростью света, что позволяет быстро выполнять операции.
• Масштабируемость: интегрированные фотонные схемы могут быть изготовлены методами литографии, аналогично электронным чипам.
• Многомодовость: один фотон может нести несколько кубитов (поляризация, путь, время).

Недостатки

• Сложность детектирования: детекторы одиночных фотонов имеют ограниченную эффективность (обычно 80–95%), и потери фотонов приводят к ошибкам.
• Постселекция: в схеме KLM успешные события происходят с вероятностью, пропорциональной квадрату числа кубитов, что ограничивает масштабирование.
• Отсутствие универсальности: большинство современных фотонных компьютеров решают только специализированные задачи (например, бозонную выборку).
• Потери в волноводах: при распространении фотонов в интегрированных схемах возникают потери (обычно 0.1–1 дБ/см), что снижает точность.
• Сложность создания нелинейных гейтов: для универсальных вычислений требуются нелинейные взаимодействия между фотонами, которые слабы и требуют больших мощностей или специальных сред.

Применение

Квантовое превосходство и бозонная выборка

Фотонные компьютеры, такие как «Цзючжан», продемонстрировали квантовое превосходство в задаче бозонной выборки — вычислении выходных вероятностей для неразличимых бозонов. Эта задача имеет практическое значение для оптимизации, квантовой химии и теории графов.

Квантовое моделирование

Фотонные системы могут моделировать квантовые процессы, такие как фотосинтез, перенос энергии в молекулах, поведение квантовых точек. В 2023 году группа из Университета науки и технологий Китая смоделировала молекулу водорода (H₂) с помощью фотонного чипа.

Квантовая криптография

Фотонные квантовые компьютеры могут быть использованы для генерации и распределения квантовых ключей (QKD), а также для взлома классических криптосистем (алгоритм Шора) при достаточном числе кубитов.

Квантовые сети

Фотоны — идеальные носители для передачи квантовой информации на расстояния (через оптоволокно или спутники). Фотонные компьютеры могут служить узлами квантового интернета.

Крупные проекты и компании

Китай

• «Цзючжан» (Jiuzhang) — серия специализированных фотонных компьютеров (1.0, 2.0, 3.0) под руководством Чаоян Лу. В 2023 году «Цзючжан 3.0» использовал 255 фотонов и 10⁶ мод, что в 10¹⁶ раз быстрее классического суперкомпьютера для задачи бозонной выборки.

Канада

• Xanadu — компания, разработавшая фотонный квантовый компьютер Borealis (2022) на 216 сжатых состояний. В 2024 году анонсировала платформу Aurora — масштабируемую архитектуру на основе интегрированных фотонных чипов.

США

• PsiQuantum — стартап, работающий над созданием универсального фотонного квантового компьютера на основе кремниевых фотонных чипов и детекторов SNSPD. В 2023 году привлёк $600 млн инвестиций.
• QuiX Quantum — нидерландская компания, разрабатывающая фотонные процессоры для квантовых вычислений.

Европа

• Проект PHOQUS (ЕС) — разработка гибридных фотонно-сверхпроводящих систем.
• Университет Вены (группа Антона Цайлингера) — исследования в области квантовой телепортации и фотонных гейтов.

Перспективы и вызовы

Масштабирование

Основная проблема — создание универсального фотонного компьютера с сотнями и тысячами кубитов. Требуется снижение потерь в волноводах до 0.01 дБ/см, увеличение эффективности детекторов до 99.9% и разработка источников одиночных фотонов с высокой чистотой (>99%).

Исправление ошибок

Квантовые коды коррекции ошибок (например, поверхностный код) требуют большого числа физических кубитов. Для фотонных систем разрабатываются коды, устойчивые к потерям фотонов (например, коды на основе кластерных состояний).

Коммерциализация

Ожидается, что первые коммерческие фотонные квантовые компьютеры появятся к 2030 году для решения задач оптимизации, моделирования материалов и криптографии. Компании, такие как Xanadu и PsiQuantum, планируют предоставлять доступ через облачные платформы.

Источники

• Knill, E., Laflamme, R., & Milburn, G. J. (2001). A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature, 409(6816), 46–52.
• Zhong, H. S., et al. (2020). Quantum computational advantage using photons. Science, 370(6523), 1460–1463.
• Madsen, L. S., et al. (2022). Quantum computational advantage with a programmable photonic processor. Nature, 606(7912), 75–81.
• Цайлингер, А. (2010). Квантовая телепортация и квантовые вычисления. Успехи физических наук, 180(6), 641–650.
• Kok, P., et al. (2007). Linear optical quantum computing with photonic qubits. Reviews of Modern Physics, 79(1), 135–174.