随着量子计算的快速发展，可靠且高效的量子比特编码与制备技术成为实现大规模容错量子计算的核心难题。Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）编码因其能够利用光学模式的无限维希尔伯特空间，实现具有高容错能力的量子比特而备受关注。与传统的单光子编码不同，GKP量子比特通过设计规范的格点结构，在相空间中形成具有清晰峰值特征和负的Wigner函数区域的状态，实现了对高质量量子信息的表达。近年来，集成光子技术与先进的探测手段相结合，为GKP量子比特的制备带来了革命性的突破，推动了光子量子计算架构的实用化进程。 在最新的研究中，科学家们利用基于硅氮化物的多层300毫米晶圆光子芯片，实现了多模单态挤压态的生成与线性光学干涉，从而制备出高质量的GKP量子比特状态。芯片上的微环共振器阵列通过共振增强的受激四波混频(SFWM)产生接近单模的挤压态，这些光学资源经由可编程的光学干涉装置纠缠，从而创造了多模纠缠的高斯态。
借助高效的光子数分辨(PNR)检测器，尤其是采用冷却至极低温度的过渡边缘传感器（TES），研究人员能够通过对三个输出模式的精确测量，以特定的探测模式实现对目标GKP态的预示。这种“测量制备”方式具备高度的灵活性和可扩展性，充分体现了光学集成技术在量子态合成方面的优势。 制备出的GKP态展示了相空间位置和动量两个正交量子变量上至少四个清晰可分辨的峰值，同时对应的Wigner函数表现出明显的负值格点分布，形成了例如3×3的矩形格子结构。此特征不仅是GKP量子比特有效编码的标志，也为实现容错量子计算的稳定性提供了保障。值得关注的是，这些状态的有效挤压度达到了可观的水平，该性能受益于芯片低损耗光子路径和高效率的探测系统。研究表明，通过进一步降低光损耗，器件有望产生满足容错临界阈值的高质量近似GKP态，为未来大规模量子计算机的制造奠定了坚实基础。
GKP编码作为一种创新的量子信息编码方式，具有将无限维的光学模式映射为逻辑量子比特的独特优势。在光学平台上，GKP量子比特能够通过仅使用线性光学元件如分束器、相移器以及同相检测器，来实现确定性的Clifford门操作，同时非Clifford门则可通过制备特殊魔法态来完成。这种优势显著简化了量子门的实现难度，也促使光子量子计算的架构更具实用性。此外，GKP态本身具备天然抵抗高斯噪声和小规模光损耗的能力，这使得其在量子通信以及高精度量子传感等领域同样具备广泛应用前景。 传统的自由空间光学系统在制备复杂非高斯光学态方面面临诸多挑战，特别是在稳定性和可扩展性方面存在明显瓶颈。将GKP量子比特的制备迁移至集成光子芯片平台则明显突破了上述限制。
硅氮化物光子芯片不仅提供了极低的传播损耗，还兼具高度可编程性与批量制造的技术优势。它能够高效地产生高质量的挤压态，同时借助集成式调制器灵活地实现多模式纠缠光学网络。此外，通过对光路的电光结合封装，模块能在常温环境下稳定运行，与需要低温环境的超导探测器和其他冷却系统高效配合，实现了整体量子态制备和检测的协同优化。 光子数分辨探测器是实现GKP量子比特预示的关键技术。本文中采用的过渡边缘传感器（TES）技术，在低温稀释制冷机环境下，达到了超过99% 的检测效率和出色的光子数分辨能力。这种高性能探测器的引入，大幅提升了GKP态的制备成功率和质量。
探测器与芯片之间采用光纤耦合技术，最大程度地降低了耦合损耗，确保了信号的完整传输。结合芯片内置的多层滤波器阵列有效过滤泵浦光及其他杂散光，保证了测量信噪比的稳定和高精度采集。 在实验操作中，科学家们通过对三个探测通道进行严格的光子数检测，形成特定的探测模式，如(3,3,3)型，来预示一个理想的GKP态输出在未探测的第四个通道。每秒钟数十次的成功率使得该方法在稳定制备高质量GKP态方面表现优异。后续通过同相检测技术完成对输出态的完整态层析，揭示其相空间的概率密度分布和Wigner函数结构，为量子比特质量的评估提供了精确依据。数据分析显示该态在p和q两个正交量子变量上均展现出理想的峰值分布和负Wigner格点，印证了GKP编码的核心特征。
从长远看，当前技术已显著缩小了构建大规模容错光子量子计算机的技术鸿沟。随着芯片制造工艺的不断改进与优化，光学损耗预计将下降至百份之几的量级，进而提升生成GKP态的有效挤压度并满足已知的容错阈值。集成芯片的可重复性和批量生产能力，使得在未来能够构建数百万个独立GKP源成为可能，为实现大规模集成量子光学网络奠定了坚实基础。同时，通过多模量子态凯广采样(GBS)技术与后续炼制算法相结合，能够显著提升量子比特的制备概率和态的纯度，满足复杂量子计算及量子通信协议的需求。 尽管当前实验已取得巨大进展，为实现最终实用的容错GKP量子计算提供核心技术支撑，但仍有若干挑战有待克服。包括进一步提升芯片内非线性光学过程的效率、优化光子数探测器的噪声特性与响应速度，以及开发更加灵活的可编程干涉网络以支持多样性GKP格子的生成。
同时，如何将这些集成光子器件与量子存储和量子接口技术无缝对接，构筑完整的光子量子计算生态系统也是未来的重点研究方向。 综合来看，集成光子技术与高效率光子数分辨探测的结合已成功实现了首批高质量GKP量子比特的生成和表征。该技术按照光子量子计算的三阶段架构——初态制备、理想化加工及集群态合成，提供了强有力的物理基石。随着光学芯片设计、制备工艺、探测技术及算法创新的协同推进，未来实现可扩展、模块化且性能优异的光子量子计算机将成为现实。更重要的是，GKP编码不仅促进了量子计算进入容错时代，同时也为分布式量子网络、远程安全通信和量子增强传感等多样化量子技术应用提供了广阔的实践前景。基于集成光子的GKP量子比特时代已经开启，量子信息科学领域必将迎来前所未有的璀璨革新。
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