量子计算正处于不断演进的前沿，尤其是光子学量子计算因其高速、低能耗及室温操作的优势备受关注。在众多量子比特编码方法中，Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）编码凭借其在无限维希尔伯特空间中实现容错逻辑门的独特优势，成为未来可扩展量子计算架构的关键所在。近期，借助超低损耗的集成光子芯片平台，科学家们成功实现了光学领域内GKP量子比特的集成生成，为光子量子计算机的规模化制造和实际应用带来了重要推动。GKP量子比特的研发不仅解决了传统单光子编码中概率性操作和探测器低温限制的难题，还在容错性和器件集成度方面展现出卓越潜力。首先，理解GKP状态的物理本质至关重要。它们通过量子振荡子基态的编码，将离散的逻辑比特映射为相空间中格点排列的量子态。
该编码形式允许利用线性光学元件如分束器、相位移器，以及同相检测直接实现克利福德门操作，这类似于经典计算中逻辑门的功能。非克利福德门则借助特定的魔态实现，使得通用量子计算成为可能。这种通过光场的连续变量特性实现离散量子比特的转换，兼具了灵活性和抗误差能力。此前实现GKP状态的实验大多采用自由空间光学系统，虽然展示了基础原理，但由于系统复杂、体积庞大且难以保持稳定，难以满足未来大规模系统对集成和稳定性的需求。集成光子学的出现正好填补了这一空白。其核心优势在于将多个光学功能单元微缩到同一芯片上，极大地降低了光路损耗和外界干扰，提高了重复性及扩展性。
学界最新进展展现出，基于专门定制的多层氮化硅（SiN）晶圆技术，制造出的集成光子芯片能够实现低损耗、单时域模态的强挤压光子态生成。利用光子分束、微环谐振器及可编程线性干涉阵列，研究团队成功实现了四模高斯光子采样装置（GBS），并配合高效的光子数分辨探测器精准地触发了特定的光学GKP量子状态。此类设备不仅在低温下表现出高达99%以上的探测效率，更在12亿次循环实验中保证了稳定输出。实验中，生成的GKP态具备独特的相空间格点结构，Wigner函数显示出清晰的负区域，这正是非经典性的标志。多个峰值的分布反映出强烈的模态纠缠和量子干涉效应，充分表明了该系统产出真正有用的GKP量子比特。更关键的是，理论和实验数据均表明，随着芯片及光学路径损耗的进一步降低，系统将能够达到容错计算所需的有效挤压度标准，实现真正实用的光子级量子比特质量。
系统整体设计巧妙采用多模光纤耦合分路，结合定制的调谐微环谐振器，消除非期望的非线性过程，保证生成的光子状态纯净且单一时域模态。泵浦光和控制光通过异步马赫-曾德干涉仪（MZI）滤波，保障无关频段的光子有效抑制，最终将纠缠光子态耦合输出供探测和表征。状态制备成功率虽尚处于初级阶段，但实验所得的模式结构和稳定性为后续识别多种成功模式并加以利用提供了基础。进一步，研究团队还在探索如何结合多重分束和“育种”技术，以增加状态生成概率和纯度，而这些技术的实现依赖于芯片级紧密集成和损耗控制。值得注意的是，光子数分辨探测器的关键角色不可忽视。采用基于过渡边缘传感器（TES）的冷却探测阵列，实验室团队实现了近乎完美的单光子和多光子探测效率，极大提升了状态的可控性和可重复性。
TES探测器的深冷工作环境和优异的光学耦合设计保证了信号的高保真度，是本次光学GKP量子比特生成成功的基石之一。利用这种设备，科研人员绘制出包括矩形和六角形晶格在内的不同GKP格状状态映射，这不仅拓展了格点代码的选择范围，也为未来基于不同应用目标的定制量子信息处理奠定了硬件基础。与其它量子比特实现方式（如离子阱或超导线路）相比，集成光子学平台无疑更适合实现大规模量子网络。这种平台具备即插即用的特点，能够通过光纤链接到更大范围的量子通信基础设施，同时实现高速并行处理，具备极高的可扩展性和模块化设计优势。大规模生产上，采用300毫米晶圆加工标准，确保了产量和良率的工业适应性，是向实际量子计算芯片迈进的必由之路。未来，结合动态反馈调控、多级误差纠正机制和模块化晶片编排，研究团队展望构建千万量子比特的光子计算机蓝图。
展望光子量子计算的前沿，集成光学技术结合GKP编码的优势为实现容错量子计算提供了极具吸引力的路径。降低系统内的光学损耗、提升探测器效率和稳定芯片调控参数，将直接推动GKP态质量迈向实用门槛。同时，发展多模多频谱融合技术，将有效提升数据吞吐率和量子态制备概率。集成光子学通过材料工程、工艺优化及系统设计等多维度努力，正在逐步打破光子量子计算瓶颈，为实现大规模、高质量、低功耗的量子信息处理奠定夯实基础。综上所述，基于定制硅氮化物光子芯片的GKP态生成装置，融合先进的光学非线性处理和高效探测，在理论与实验层面均展现出良好的光子量子比特性能。它不仅代表了一个重要的技术跃迁，也标志着集成光子量子计算从实验室向工业化、实用化迈出的关键一步。
借助这一突破，相关科研和产业领域将迎来新一轮量子计算发展浪潮，推动量子技术走向更广泛的应用与普及。
