量子计算作为下一代计算范式，以其强大的并行处理能力和对复杂问题的高效求解而广受期待。然而，要实现真正有用且大规模的量子计算机，关键在于有效地创建和操控稳定的量子比特（qubit）。Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）量子比特作为一种基于光学模式的编码方案，因其在错误容忍性及门操作上的显著优势，受到了广泛关注。近期，科研团队利用定制化的多层硅氮化物集成光子芯片，成功合成出具备多重关键特性的高质量GKP量子比特源，开启了光子量子计算向容错计算迈进的新篇章。GKP量子比特的独特之处在于它利用光子模式的无限维希尔伯特空间编码量子信息，通过合适的状态制备和测量方式，实现了在保持较高纠错阈值的同时，使用标准高斯光学操作实现完备的逻辑门集。与基于单光子双轨编码的方案相比，GKP编码能够实现门操作的确定性和室温兼容性，极大降低了系统复杂度和技术门槛。
此外，GKP态本身对高斯噪声如光学损耗表现出坚韧的抗干扰能力，这为构建大规模、稳定的量子计算机打下坚实的基础。传统上，GKP态的生成多依赖于自由空间光学实验平台，尽管实现了初步演示，但系统庞大且难以规模化，限制了其在实用量子计算中的应用。针对这一瓶颈，研究团队开发了一款基于300毫米硅氮化物晶圆定制工艺的集成光子芯片，并结合高效率的光子数分辨检测器，实现了GKP量子比特的直接生成。该芯片利用多模线性光学干涉和多路单模式压缩态，结合精确的光子数检测，成功实现了对复杂非高斯光学态的高保真度制备。技术核心包括腔增强的双泵自发四波混频（SFWM）过程，利用光子分子结构的微环谐振腔来提升非线性过程效率并抑制寄生效应。这不仅确保了压缩态的高纯度和单模特性，还降低了传输损耗至极限。
通过内置的可编程干涉仪元件，系统能够动态调整干涉参数，实现不同编排方式的量子态合成，为实现多种GKP格点结构提供灵活支持。检测环节引入了基于超导过渡边缘传感器（TES）的高效光子数分辨计数器，其效率接近99.9%，极大提高了状态制备的成功概率和信噪比。此种协同效应促使本实验成功合成出含有至少四个可分辨峰值的GKP状态，其位置和动量四分量的分布特征清晰，展现出稳定的3×3格状负Wigner函数结构，直观地反映了非高斯资源和量子信息编码的完整性。这些特征是实现容错量子计算的基础指标，表明系统已具备实用转化潜质。全面采用集成光子架构，不仅大幅提升了实验的稳定性和重复性，还为未来构建由成千上万GKP量子比特源组成的阵列设备奠定了工艺基础。得益于硅氮化物平台在光学损耗控制和制造一致性方面的优势，该设备具备显著的量产能力，符合产业可扩展性的需求。
实验过程中，研究者以200 kHz的重复速率进行光脉冲驱动，通过对不同光子数检测模式的筛选与状态验真，最终实现约30 Hz的有效量子比特制备频率。该速率为未来大规模量子网络中量子信息的实时传输和处理提供了坚实保障。实验结果还揭示了通过进一步降低芯片内部及连接路径损耗，可实现有效压缩度超过10 dB的GKP态，达到已知的容错阈值。这预示着集成光子学路径不仅能够满足理论上的高质量要求，还具备向容错量子计算机实际应用转化的可行性。与此同时，该架构兼容多种后续处理技术，如多模光路复用、态炼成及适应性测量等，提高了整体系统的成功概率和容错性能，进一步推动了量子计算硬件的实用化进程。展望未来，集成光子GKP量子比特源的研发正孕育着量子计算技术的根本变革。
随着半导体制造工艺的成熟和光子探测技术的不断进步，规模化、高灵敏度和低损耗的光子平台有望实现更大数量级的量子比特集成，为实现真正实用的量子优势计算奠定坚实基础。此外，GKP编码的优异性能也使其在量子通信和量子传感领域展现巨大的应用潜力，例如高精度量子测量、量子保密通信和长距离量子中继等关键场景均受益于高质量GKP态的引入。总结来看，本次基于集成光子的GKP量子比特源的突破不仅验证了理论预期的技术方案，更为光学平台量子计算实现容错运算指明了清晰路径。未来围绕芯片优化设计、探测器效率提升与系统集成进一步深化，预料将加速推动全光量子计算机的落地及其广泛应用。科研界与产业界的共同投入和协作，将极大地激活量子科技生态，催生新一代信息技术变革。
