量子计算作为新一代计算技术的核心，正逐步颠覆传统信息处理的范式。在众多量子比特编码方式中，Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）编码因其独特的抗误差能力和实现门操作的简洁性成为光子量子计算领域的研究热点。最近，科学家们在集成光子学方向实现了高质量的GKP量子比特源，为构建大规模、实用的光子量子计算机提供了关键技术支撑。本文将系统解析GKP量子比特的原理、集成光子源的技术实现及其在容错量子计算中的巨大潜力，展望未来技术发展方向。GKP编码的核心理念在于将单个量子比特编码在光学模式的无限维希尔伯特空间中，通过周期性位移操作实现对量子信息的保护。不同于传统的基于单光子路径编码的方案，GKP编码利用连续变量量子态的结构优势，可以实现清晰的逻辑栅操作和鲁棒性更强的错误校正。
其编码状态在相空间中呈现出特征性的格点结构，既表现为多个可分辨的概率峰，也具备负的Wigner函数区域，这是实现量子优势的关键非经典资源。尽管GKP编码在理论上有诸多优势，要在光学平台高效制备高纯度GKP态仍面临显著挑战。传统方法多依赖于自由空间光学元件和复杂的非线性光学过程，导致系统体积庞大，稳定性有限，难以满足未来大规模量子计算的需求。光子集成技术的进步则为这一难题提供了崭新的解决思路。通过在定制的硅氮化物（SiN）基材上制造高品质多层光子集成芯片，科学家实现了极低传输损耗和高度的光学非线性，兼顾了非经典光子态生成和灵活的线性光路调控。该集成芯片采用四模高斯玻色采样（GBS）架构，利用共振增强的双泵自发四波混频（SFWM）过程生成多模单模压缩态，进而通过可编程干涉仪与高效的光子数分辨探测器(PNR)实现态的筛选和制备。
重要的是，采用高达99%以上效率的超导边缘传感器（Transition Edge Sensor, TES）光子探测器极大地提升了探测准确率和识别复杂光子数模式的能力。这种技术结合能在贝尔基态输出上呈现出3×3负Wigner函数格点结构，并能在位置与动量象限展现出至少四个清晰分辨的概率峰，证实制备出具有容错所需关键特性的近似GKP态。该装置的操作速率达到每秒58次成功制备，尽管当前系统的整体光学损耗约在20%左右，仍显示出提升空间。理论及模拟结果指出，只要将光学路径传输率提高至99.5%以上，便能实现有效压缩度超越10 dB的GKP态质量，满足容错量子计算的严格阈值需求。相较于离子阱、超导量子电路等其他量子架构，光子量子计算不仅能在室温下高效运行，还具备高度网络化及集成化的天然优势。当前集成光子方案旨在通过规模化器件制造、模块化设计与多样的光路复用技术相结合，推动百万级光子源阵列的实现。
未来计划结合多阶段的量子态提纯和交织式量子态繁衍（breeding）策略，进一步提升GKP量子比特的成功率和稳定性。除了在量子计算领域的突破，GKP量子比特在量子通信和量子传感等方面也展现出巨大的应用潜力。其对高斯类型噪声的天然抗性以及逻辑态的确定性制备，使得构建稳健的量子网络和高灵敏度传感设备成为可能。集成光子器件的商业化生产能力及标准化工艺路线为这些应用的产业化开辟了道路。制造工艺方面，该硅氮化物平台基于300毫米晶圆的工业化流程，利用高精度光刻和氧化物沉积降低光学散射和吸收，令系统内波导损耗保持在迈分贝级别以下。结合定制设计的光子分子谐振器结构，有效抑制了非理想的非线性过程，保证了单模度和非经典光场特性的纯净度。
同时，集成的热光学相位调制器提供高品质的干涉仪调控，满足高维度多模量子态合成的需求。整个芯片通过光纤阵列与外界系统无缝连接，并实现电信号驱动接口，兼具扩展性与稳定性。作为量子态表征的重要环节，均衡型相干探测系统采用高灵敏度光电二极管和低噪声电子放大器，匹配压缩波包时间模式，通过多角度相位扫描实现高精度态层析重构，确保量子态的真实性和准确定量分析。实验数据表明，经过统计自举方法分析，复原的GKP态具有高置信度，符合理论预期。展望未来，降低芯片及互联光路损耗被认为是提升GKP态质量的核心方向。同时，器件向更高模式数、更多光子数探测的演进将带来更丰富的量子资源，用于构建更复杂的容错量子计算体系。
此外，结合新型量子纠错机制和先进的态繁殖方案，有望推动这一技术快速迈向实用化阶段。更广泛来看，GKP态的集成光子学实现不仅为规模化光子量子计算奠定了基础，也开启了光量子技术在通信和传感领域的应用新时代。其高效、可扩展、低能耗的优势，符合未来量子信息基础设施建设的需求。综合来看，集成光子源成功制备高质量GKP量子比特，标志着光子量子计算进入一个全新的发展阶段。随着材料科学、纳米制造和量子控制技术的持续进步，未来有望实现真正的容错光子量子计算机，推动量子科技从研究实验室迈向商业应用，释放革命性的计算和信息处理能力。
