随着量子计算技术的快速发展，寻找稳定且可扩展的量子比特编码方式始终是科研界的重要课题。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）编码利用光学模式的无限维希尔伯特空间，将信息嵌入到高度特定的光子态中，为实现容错量子计算提供了令人期待的技术路径。GKP态的独特优势在于其能够通过简单的线性光学元件，如分束器和相位调制器，加上高精度的均衡探测来实现确定性的Clifford门操作，这极大简化了光子量子门的实现难度，并且可以在常温条件下运行，克服了许多传统方案对复杂低温环境的依赖。长期以来，实验室多通过自由空间光学元件尝试生成GKP态，但这类方法在系统稳定性、光学损耗及可扩展性方面均面临瓶颈，难以满足实际应用需求。近年来，集成光子技术的兴起开启了在单芯片上实现复杂量子态制备和操作的新纪元，这种高密度、低损耗的光学集成平台成为实现大规模光子量子计算的制高点。近期，来自Xanadu Quantum Technologies的研究团队实现了基于定制多层硅氮化物300毫米晶圆厂工艺的超低损耗集成光子芯片，利用该芯片结合高效光子数分辨探测器，成功生成了关键的GKP量子比特状态。
这一成果不仅在实验上首次展示了具有明确栅格结构的负Wigner函数区域，更在理论评估中证明了该器件在进一步降低光学损耗后能够达到容错量子计算的质量门槛，为构建未来大规模光子量子计算机提供了技术蓝本。该集成芯片通过多模式干涉器将四个单模压缩态光子量子态纠缠，结合三个输出模式的光子数分辨探测作为预示信号，实现了对剩余模式中GKP态的可靠制备。光学搅动由双泵浦自发四波混频过程在微环谐振器阵列中实现；谐振器采用光子分子设计，大幅抑制了寄生非线性效应，保证了纯净单模压缩态的产生。为保持系统稳定，芯片集成了非对称Mach–Zehnder干涉仪用于泵浦光过滤，同时通过热光调制器对谐振器共振和光学相位进行主动调节。整个装置兼具光纤耦合和电气线束键合，适合高频率脉冲激励及快速调控。实验中，泵浦激光以200千赫兹重复率发出短脉冲，经管控进入芯片产生高达10 dB（理论无损条件下）压缩态，随后通过预设好的编程干涉器施加适合的纠缠态调制。
在状态制备后的输出端，三个模式的光经过波分复用滤波器传递给接近百分之百探测效率的超导过渡边缘传感器（TES）探测器，探测到特定恒模光子计数模式时，另一模式使用平衡齐纳检测进行四分量断层扫描，完成GKP态的态重建。研究展示了在统计累积12.8×10^9次脉冲事件中，特定光子计数触发的GKP量子比特呈现出在位置和动量两个正交量子态上均具备至少四个峰值特征，且Wigner函数图像清晰呈现3×3的负值栅格。这不仅彰显了非高斯态的复杂结构，同时验证了器件的低损耗设计令光学信号完整度得到充足保留。有效挤压度（effective squeezing）的测量指标显示，尽管当前实验面临18%损耗限制，产生的GKP态质量已经超过纯Gaussian压缩态理论极限，证明了非平凡的非经典量子资源的成功生成。根据详细模拟和理论分析，如果总传输效率提高至99.5%以上，该装置可实现超过10 dB的对称有效挤压度，达到实现理想容错量子计算的标准。该研究还观察到除了主要关注的(3,3,3)光子计数触发状态以外，其他计数组合如(1,1,1)、(1,3,3)、(4,4,4)等也产生了不同形态的非高斯态，包括猫态和六边形栅格结构GKP态。
这为日后通过多路复用和分布式量子态精炼提供了丰富的资源和灵活性。技术上，此类集成芯片的一大优势在于制造工艺与半导体大规模制程兼容，采用标准300毫米晶圆工艺，带来可观的规模经济和器件一致性，助力未来数百万级光子量子比特源的并联，实现真正意义上的超大规模量子计算。超高效率的TES探测器集成也是关键突破，达到了高于99%的探测效率，且具备探测多个光子数的分辨能力，这在保证高质量GKP态制备时尤为重要。此外，系统整体相干性和相位噪声控制也达到了极佳水平。科研团队通过多激光频率偏锁和光谱频率梳锁定，弱化了常见的系统相位漂移问题，使得量子态测量稳定且重复性良好。展望未来，随着光学损耗进一步降低和多模式光子态控制技术的提升，结合适合GKP编码的多模纠缠态拓扑构造，将加速推动基于光子的容错量子计算落地。
结合已有的光子计数调制门、多路复用技术以及自适应态繁殖算法，真正实现高效、可扩展且易集成的光子量子计算平台指日可待。GKP编码体系的固有抗噪声特性也使其在量子通信和精密量子传感领域展现出广阔前景。总之，这次在集成光子平台上成功制备GKP光子态的实验成果，是翻越技术瓶颈的里程碑，它汇聚了先进材料科学、精密光学设计和前沿量子探测技术的精华。随着产业界持续加大投入和创新，这一突破有望推动光子量子计算从实验室走向实际应用，开启信息技术的新纪元。在全球量子竞赛的浪潮中，基于集成光子的GKP量子比特源无疑是加速量子优势实现的关键引擎。
