随着量子计算的快速发展，构建高效、可靠且可扩展的量子比特成为实现实用量子计算的关键挑战之一。在众多量子比特编码方案中，Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）量子比特因其独特的优势引起了广泛关注。GKP量子比特能够利用光子的无限维希尔伯特空间，结合确定性高效的门操作和容错能力，成为实现大规模光子量子计算的一大契机。然而，制造高质量的GKP态一直以来是光子量子计算领域的技术瓶颈。近期，一项基于集成光子芯片的创新实验成功探索了GKP量子比特的光学生成方案，标志着进入实用光子量子计算新阶段的开始。 传统的光子量子计算在状态制备上依赖自由空间光学元件和非线性光学过程，诸如自发参量下转换和自发四波混频，这些技术虽可靠，但因体积庞大、对外部环境敏感及组合复杂，难以实现大规模集成与稳定性保障。
尤其是多模态纠缠态和非高斯态的制备，增加了系统设计的难度和损耗风险。集成光子技术作为推动现代光量子技术微缩和提升稳定性的利器，将传统的光学元件整合于微纳尺度芯片平台，有效降低光学损耗和环境扰动。该技术不仅提高了光子源的生产效率，还为量子态的精确控制和大规模互联提供了坚实基础。 本次研究利用定制的硅氮化物（SiN）多层300毫米晶圆平台，制造出极低损耗的集成光子芯片，兼顾了非线性光学过程中的高质量谐振腔设计和复杂的线性干涉网络。通过四模高斯波色采样（Gaussian Boson Sampling, GBS）装置，用线性光学干涉使四个单模挤压态进行纠缠，再通过三个模式的光子数解析探测器（PNR）实现预选（heralding），从而制备出所需的GKP量子比特状态。该方法不仅达到了量子态中关键的波形模式及连续变量群体格特性，还展现了清晰的负值维格纳函数区域，确定了量子非高斯性的存在。
在实验设计层面，研究团队针对光子挤压态的制备，采用了双泵浦自发四波混频（SFWM）过程，利用脉冲泵浦保证产生的光子处于单时间模式，极大改善了量子态的纯度和重复率。集成微环谐振腔通过光子分子模式设计，成功抑制了寄生的非线性过程，提高了共振腔质量因子与逃逸效率，从而增强非线性光学转换效率和降低光学损耗。伴随芯片级的马赫-曾德干涉仪（Mach–Zehnder Interferometer, MZI）阵列实现泵浦光及控制光的高效分发与滤除，保证了系统的稳定运行与精准相位控制。 为了实现高精度的量子态预选，研究团队配备了处于稀释制冷机中的超导转变边界传感器（Transition Edge Sensors, TES），这类探测器能以高达99.8%的检测效率，实现对多个光子数的精确解析。经过滤波和光纤耦合的光信号经过这三路PNR探测器，只有特定的探测事件才触发输出模式的量子态测量，这种基于检测事件的预选策略能够有效提高态制备的纯度，同时为未来的多模块并行化制备提供可能。 量子态的表征采用同频均分干涉仪进行均衡探测（均衡同频探测），通过调整本地振荡光的参考相位，精准测量跨越0至π的多相位点的量子波动分布。
低噪声、高量子效率的光电探测器和电路放大器组合，确保了测量数据的可靠性和数据采集容量，达到数百万次重复测量，为量子态密度矩阵的最大似然重构提供丰富的统计基础。这使得团队能够准确解析所制备的GKP态在位置和动量象限的多峰结构及负值维格纳函数特性，从而判断其适不适合应用于容错量子计算系统。 实验结果表明，通过对三路PNR探测输出事件为（3, 3, 3）的预选，成功制备出具有矩形晶格结构的GKP量子比特，其位置和动量的概率分布都表现出四个可解析的峰值，同时展示了3×3网格的维格纳负值结构。这是近年首次在集成光子平台上完整实现这种结构的光学GKP态。通过对稳定子算符期望值的测量，获得了比任何高斯纯态都更优的有效挤压水平，表明了量子态内在的高质量纠缠和非高斯性。附加不同探测输出事件，还实现了多种非高斯态的预备，如带有六角晶格结构的GKP状态和施罗迪格猫态，展示了该平台高度灵活的态制备能力。
尽管当前实验中系统整体光学损耗还在78%至82%的范围内，尚未完全达到容错计算所需的接近99.5%的高传输效率，但通过芯片制造工艺和封装技术的持续改进，这一关键指标有望大幅提升。理论模拟预测，当整体光传输率超过99.5%时，通过较高光子数PNR探测（如(n, n, n)形式，n>7）的输出模式可制备有效挤压超过9.75 dB的高质量GKP态，满足通用容错门操作的系统要求。因此，现有集成光子方案在在精度和效率改进后，有潜力成为未来实用容错光量子计算机的核心基石。 同时，集成光子平台还具备天然的扩展性优势。通过将多个类似的GBS源阵列封装于芯片组合系统，辅以多模式编码、主动光子多路复用和迭代锻造（breeding）策略，可以有效提升GKP态的生成成功率和质量。可编程线性干涉网络也为合成任意相位空间晶格结构提供了理论及实践依据，满足复杂量子算法的多样需求。
未来将基于低损耗多腔结构的下一代光子芯片，结合高性能PNR探测器，可实现百万级独立量子光源的集成，开启规模态势明显的光学量子计算新纪元。 除了量子计算，GKP态在量子通信和量子传感领域也有重要应用潜力。其对高斯误差的本征抗性，使其适合用于远距离量子密钥分发和高灵敏度量子传感器中，可有效抵抗信道衰减和噪声干扰。集成芯片制造的稳定性和兼容性，将促进相关技术的产业化，加速量子信息网络的构建和实地测试。 综上所述，集成光子源为Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特的制备带来了革命性的进展。低损耗硅氮化物芯片、高效的多光子探测与精准的量子态控制协同作用，验证了集成光子方案对未来光学容错量子计算和量子信息系统的关键支撑价值。
研究不仅突破了传统自由空间光学局限，极大拓展了GKP态工程技术的可行性和扩展性，还为光子量子硬件平台的商业化与规模化铺平道路。未来，随着相关工艺持续优化与多模块系统整合，GKP编码的集成光子量子计算有望实现从实验室到实际应用的跨越，推动量子科技迈入新的辉煌时代。
