随着量子计算技术的迅速发展，光子量子计算因其天然的高速传输和低噪声特性，成为物理实现量子比特的极具竞争力的方案之一。在众多量子比特编码方法中，Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）编码作为一种基于连续变量系统的特殊编码方式，凭借其在容错量子计算领域的独特优势，受到科研界的广泛关注。GKP编码能够利用光学模式的无限维希尔伯特空间，实现稳定的数字量子比特编码，并且支持仅凭借简易的高斯操作就能实施一套通用的量子门，极大地简化了光子量子计算的物理实现难度。传统光学实验对GKP态的制备多依赖于自由空间光学器件，不仅尺寸庞大，而且受环境扰动影响大，导致扩展性受限。最新研究突破性地采用集成光子技术，在兼顾高性能和低损耗的同时，实现了在硅氮化物的多层300毫米晶圆平台上，利用超低损耗光子芯片生成GKP量子比特，此举为光子量子计算机的实用化和规模化铺平了道路。该集成光子芯片融合了多模压缩态的产生、线性干涉和高效光子数分辨探测，形成了一个完整的系统用于GKP态的合成和表征。
在具体实现中，光子芯片利用双泵泵浦技术激发谐振增强的自发四波混频（SFWM）过程，产生高度纯净、接近单模式的压缩态光场。通过多通道马赫-曾德干涉仪动态调控这些压缩态的相互干涉，形成复杂的多体纠缠，最终经过三路高效的过渡边缘传感器（TES）光子计数器实现光子数分辨探测，以特定的检测结果触发GKP量子比特状态的产生。超高的探测效率（接近99.9%）和低光学路径损耗配合，使得所合成的GKP态在动量和位置正交变量的概率分布中均显示出至少四个清晰峰值，且其相空间的Wigner函数展现了包含3×3网格结构的负区域，具备实现容错计算所需的关键量子特征。此外，该实验通过系统优化调整，实现了不同光子数探测结果对应多样的非高斯量子态，包括具有六边形晶格结构的GKP态和薛定谔猫态，展现了集成光子系统在多态编码上的灵活性和潜力。损耗是制约近似GKP态质量的关键因素。研究显示，当系统端到端的光学传输效率达到99.5%以上时，所生成的GKP态可达到近10 dB的对称有效压缩，从而满足实现容错量子计算的阈值。
通过先进的芯片制程和元件设计，当前光学路径传输效率已经突破80%，未来随着工艺和封装技术的进一步提升，有望实现更低损耗，推动实际光子量子计算机中容错态生成的规模放大。该集成光子方案还具备显著的可扩展性优势。利用硅氮化物平台兼容成熟半导体制造工艺，可实现大规模、规则化的阵列结构，这对于构建数百万量子比特规模的容错量子计算机必不可少。结合多模叠加与数据驱动优化策略，未来可进一步提升GKP态的合成速率和质量，实现量子纠错码的高效生成。此外，集成化的光子芯片还大幅降低了环境光学扰动、温度波动产生的相位噪声，保证了生成态的稳定性与均一性。此特性对于推动量子通信和量子传感领域的GKP态应用同样意义重大。
为了完整验证生成的量子态性质，实验采用平衡同频相干检测技术，对长时间、多相位角度采样，实现精确态层析。所还原的密度矩阵表明GKP态不仅展现出多峰概率分布，还具备显著的Wigner函数负值区域，表明其非高斯性质丰富，这些均是实现高级量子算法和容错操作的必要条件。科研团队还提出包括多模式光束采样（GBS）技术和用于状态提升的“炼狱”操作，通过不同探测结果联合扩大有效生成概率，及利用测量诱导的态变换进一步完善编码态，为未来构建更大规模量子网络奠定基础。从长远展望来看，本集成光子GKP态生成技术标志着光子量子计算进入实用化量子资源制作的新阶段。它不仅解决了传统光学实现中的尺度限制和环境不稳定性，也为构筑具备实用竞争力的容错光子量子计算机提供了关键支撑。未来结合芯片级多路复用、快速反馈控制和高级量子误差校正方案，有望快速推进量子计算的规模扩展和复杂度提升。
当前这套基于室温操作的集成光子系统，兼具高性能与适应性，适合大规模工业制造和跨领域应用，极大提升了光子量子技术走向市场和商业化的可行性。此外，GKP态作为高维连续变量系统的代表编码，也是连接光子量子通信与量子计算的桥梁，它的集成实现有助于发展未来量子互联网，实现远距离量子信息的安全可靠传输与处理。总结来看，集成光子芯片合成Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特的技术进展，不仅突破了光子量子态合成技术瓶颈，展示了低损耗、高效率及多态生成能力，且确立了未来构建大规模容错光子量子计算架构的核心技术路径。随着制造工艺和检测系统的持续优化，这项技术将为量子计算、量子通信和量子传感领域带来深远影响，推动人类迈向真正实用的量子信息时代。
