随着量子计算的迅猛发展，如何实现高效、可扩展且具备容错性的量子比特成为学术界和产业界关注的核心焦点。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）编码方案凭借其独特的优势，成为构建光子量子计算机的重要路径。近期，一项基于集成光子学的实验突破，成功合成并验证了光学GKP量子比特态，标志着迈向实用光子量子计算的关键一步。量子计算的核心在于利用物理系统的量子态来存储和处理信息，而GKP编码通过将量子比特嵌入无限维的谐振子空间，利用周期性格点中的编码态，实现了对误差的天然抑制。与传统的单光子编码方案相比，GKP编码可通过简单且确定性的高斯操作实现克利福德门，极大简化了量子逻辑门的实现难度，同时具备抵抗高斯噪声的强大能力，有助于降低对设备超低温环境的依赖。此前GKP态主要在离子阱和超导电路中实现，缺乏光子的扩展性和互联灵活性，因此在光子系统中实现高质量GKP量子比特态备受期待。
最新研究利用定制的多层硅氮化物基集成光子芯片，结合光纤耦合高效率光子数分辨探测器，首次在1550纳米波长段成功制备了光学GKP态。硅氮化物平台具备超低光学损耗和良好的非线性特性，使得利用受控的自发四波混合过程产生高纯度的压缩光态成为可能。通过四模式线性光学干涉与高效的光子探测保真度，实验在两条正交的相位空间象限均展示了至少四个可分辨峰值，且Wigner函数呈现出明显的格点结构与负值区域，完美契合GKP量子比特的场景要求。该实验点亮了基于集成光子学的量子资源态生产之路，具备良好的工艺兼容性与规模扩展潜力。实验中的核心方案是采用多模式高斯玻色采样源，通过合理编程的干涉转换结合光子数分辨检测的觅发，生成并鉴定目标的非高斯GKP态。每次实验以20万次每秒的重复率进行，其中，(3,3,3)的光子探测计数模式对应的GKP态表现出极佳的稳定性和刻画，且在无损耗理想条件下模拟表明该装置能生成达到容错门槛尖端标准的量子态。
值得指出的是，尽管理论上可以设计多种晶格结构的GKP态，实验中实用性和设备约束使得选择了矩形晶格结构，而这也通过等效的高斯变换保证了通用性。除主目标态，该装置还能通过不同探测结果制备多种非高斯量子态，极大拓展了光量子态合成的丰富性。为达到这一创新水平，整套系统依赖包括脉冲激光系统多路锁定、高效单模及时域模式匹配、以及超低噪声的均衡本振检测。改进过的转变边缘传感器可在极低温条件下运行，拥有超过99%的探测效率，显著提升了对多光子事件的识别能力。芯片内复杂的微环多谐振设计与光波导组合，则最大化了非线性效应同时抑制不良寄生现象。该技术框架还展示了清晰的未来发展方向。
通过进一步降低芯片及耦合损耗、结合后续的多源炼制和足够的多路复用，完全有望在光子领域实现真正意义上的容错量子计算平台。相较于传统线性光学量子计算依赖的单光子双轨编码，GKP的优势主要体现在操作的确定性、环境温度友好以及降低对复杂探测器和控制电路的依赖，极大简化了系统架构。随着半导体工艺的不断进步，高质量的集成光子芯片具备可批量制造和标准化封装的潜力，有助于降低量子计算机的整体成本并提升系统稳定性。此外，由于光子具有先天抗噪声和长距离传输的特性，这种平台也可广泛适用在量子通信和量子传感领域。尽管当前实验仍面临损耗和制备成功率的限制，未来可通过多模态融合和动态调整干涉参数提高量子比特的生成概率。进一步的研究还有望拓展不同晶格结构的GKP态制备，实现魔态生成以支持多样化的非克利福德门操作，逐步打造完善的光子量子计算生态。
总的来说，该项技术突破不仅为实现大规模实用的光量子计算机铺平道路，也极大丰富了量子信息处理的物理实现方案。集成光子学的优势与GKP量子编码的理论完善相结合，展示了跨学科合作带来的创新力量。伴随着硬件性能的提升和算法优化，未来的容错光子量子计算机正逐步走向现实，开启计算能力新的里程碑，对科学研究、药物设计、密码学等领域均具备深远影响。
