随着量子计算技术的快速发展，寻找高效、稳定且可扩展的量子比特生成方案成为实现实用量子计算机的关键课题之一。在众多量子比特编码方式中，哥德斯曼-基塔耶夫-普雷斯基（GKP）量子比特因其独特的优越性而受到广泛关注。GKP量子比特利用连续变量系统中的光学模式，通过在相空间中的格点编码，实现了一种强大的错误容忍机制，为构建容错量子计算机奠定了坚实基础。近期，一项突破性的研究展示了利用集成光子芯片生成高质量GKP量子比特的成功实现，标志着向大规模实用光子量子计算迈出了关键一步。 集成光子源的诞生解决了传统光学自由空间元件在构建GKP态时面临的规模化和稳定性挑战。传统方法普遍依赖大尺寸光学器件，受制于空间占用和光学对准的复杂性，难以扩展至实际应用规模。
基于定制化多层氮化硅300毫米晶圆平台的超低损耗集成光子芯片则将全部光学处理集成在微米级芯片上，大幅降低系统的复杂度和损耗，同时提高了光子态生成的稳定性和重复性。 这一创新芯片核心通过四路耦合的微环谐振器阵列实现单模压缩态光的生成，并结合线性光学干涉器对多模态光子状态进行纠缠。随后，利用高效的光子数分辨探测器对特定光子数模式进行预言性检测，实现对GKP量子比特态的后选。这种基于多模高斯玻色采样（GBS）的方法，使得制备过程兼具确定性和模块化，极大提升了GKP态的生成效率和质量。 在实验条件下生成的GKP量子比特表现出关键的故障容错特征。其在位置（q）与动量（p）两种正交相空间坐标上均展示至少四个可分辨峰值的概率分布，且相应的维格纳函数空间呈现出明显的负值格点结构，通常为3×3网格排列。
这种多峰结构不仅反映出GKP态高度非高斯性，同时也是实现容错量子门的必要条件。实验测得的有效挤压程度指向该光子源已临近容错门限，这意味着，通过进一步降低光路损耗，该源有望制备出满足容错需求的高品质GKP比特。 技术上，采用定制的过渡边缘传感器（TES）光子数探测器实现了极高的探测效率，最高达到99.89%。光子探测的高灵敏度和高分辨率对于GKP态制备的后选过程至关重要，保证了测量的准确性和态的纯净度。此外，微环谐振器的光学品质因子高达10^7级别，增强了非线性过程的效率，有效抑制了多余的副作用如寄生非线性响应。整体上，芯片结构与探测系统的高度集成，为量子光学复杂态的制备提供了可靠保障。
从量子信息处理的角度看，GKP编码通过在连续变量空间中实现对位移噪声的纠错，使其能够充分利用高斯操作完成克利福德门的确定性实现，非克利福德门则依赖制备特定的魔术态。这种编码策略结合光学实现，不仅可支持在室温环境下的操作，还简化了对冷却与极致环境控制的依赖，极大地提升了实用化可能性。GKP态同时在量子通信和量子传感领域展现出广泛应用前景，助力长距离量子密钥分发和高精度量子测量。 未来核心挑战在于实现更低光学损耗和更大规模的集成电路。尽管当前实验已将芯片及检测路径的传输效率提升至78%~82%区间，要达到超过99.5%的端到端传输效率仍需持续工艺优化与创新设计。基于此，研究团队提出了多模块多模态的量子态炼制（Refinery）和交织（Breeding）方法，通过对多种后选结果综合利用，兼容一定容错误差，实现高质量量子态的逐步提升。
此外，模块化的设计理念确保未来数百万甚至更多独立GKP光子源的拓展成为可能，满足实用量子计算对于海量优质逻辑比特的需求。 该集成光子源平台的一大亮点是其制造工艺的工业级标准化。采用兼容传统半导体生产线的大口径晶圆制程，不仅提升了生产产量和一致性，还有助于大规模应用场景的实现。氮化硅材料的低光学损耗特性和优良的工艺稳定性，成为支持超低损耗结构的基础。电光热控相移器的集成，实现了光路的快速精准调节，便于状态生成的灵活编程和校准。电光器件和光子芯片的紧密结合使系统具备良好的扩展性，支撑复杂纠缠态的制备和测量。
量子通信和量子网络领域也将从这一进展中受益良多。GKP态的生成使得实现容错量子中继和分布式量子计算更加可行，降低了对通信过程中的物理噪声抗扰性的苛刻要求。相比传统单光子编码，GKP光子态具有更强的抗损耗和抗噪声能力，简化网络设计与容错纠缠连接。同时，光子携带的丰富编码空间支持更高维度的量子信息处理模式，开创多功能复合量子设备的可能。 学术上，这项工作的理论与实验紧密结合。团队利用高斯玻色采样抽样技术，通过调节泵浦激光强度、干涉参数及探测选择，实现对GKP态生成概率和质量的精准控制。
详细的量子态断层扫描利用均匀采样的本征相位，结合最大似然估计方法，完成了对生成接近GKP态的光场密度矩阵的重构，验证了非经典特性和多峰概率分布。红噪声及错配效应也被系统考量，为进一步优化实验方案及提升性能提供了指导。 总体而言，集成光子源生成GKP量子比特的实现不仅推动了量子信息科学的发展，也为光子量子计算迈向实用化扫清了障碍。未来借助进一步损耗降低、系统优化及规模化制造，将有望打造大规模、容错且多功能的光子量子计算机，促进量子技术在计算、通信和传感等领域的广泛应用。伴随着更多实验验证与理论创新，GKP光子量子比特的产业化进程将进入快车道，为全球量子科技生态注入持续活力。
