随着量子计算技术的飞速发展，寻找高质量、可扩展的量子比特生成方式成为推动产业化和实用化的关键环节。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特作为一种基于连续变量量子态编码的创新方案，以其在实现容错量子计算和高效逻辑门操作方面的独特优势，受到了物理学界和量子信息领域的广泛关注。近年来，集成光子学技术的突破，为实现实用光子学GKP量子比特的规模化生成奠定了坚实基础。本文将深入剖析集成光子学平台上GKP量子比特的生成机制、实验实现和技术意义，解读其对未来量子计算体系构建的重要影响。 GKP量子比特的独特编码原理 GKP量子比特别于传统的离散单光子或双轨编码方式，它基于连续变量体系中振荡子的编码，将逻辑量子比特映射到无限维的希尔伯特空间中的网格态（grid states）。这种编码方式使得利用简单的线性光学元件如分束器、相位调节器及均匀检测器即可实现Clifford门的确定性操作，极大地简化了传统非确定性量子门的实作难度。
更重要的是，GKP态对高斯噪声和光学损耗具有天然的鲁棒性，使得构建容错的量子计算体系成为可能。此外，通过引入魔术态（magic states），能够实现非Clifford逻辑门，从而达成通用量子计算的目标。GKP编码的优势还扩展到量子通信与量子传感，为多领域应用提供了潜力。 集成光子学平台的技术突破 传统生成光学GKP态的方法依赖于自由空间的光学组件，如验收角驱动的非线性晶体和复杂的干涉仪，系统庞大且难以规模化制造。相比之下，集成光子学利用硅氮化物材料和300毫米晶圆平台，实现了低损耗、高稳定、多功能的光子线路设计。通过在芯片上集成多重微环谐振器与光子分束网络，能够有效地利用受激四波混频（SFWM）过程产生压缩真空态，进而合成功能复杂的多模式纠缠态。
该制造工艺不仅保证了极低的传播损耗（通常低于0.5dB），还精确控制了谐振器品质因子和逃逸效率，极大提升了非线性效应的纯净度和效率。 先进的光子计数探测技术支持 高效的光子数分辨（PNR）检测器是GKP量子比特生成中的核心需求。该研究采用了基于钬锋传感器的PNR探测器，工作于极低温度以抑制噪声，同时通过优化光学层叠结构和微纳光学耦合，实现了超过99%的探测效率。这不仅保证了多光子事件的精确判定,也使得复杂光子模式的刻画成为可能。同时，与集成光子芯片通过光纤高效耦合，确保信号的最大保真度传输，大幅提升了整体系统的容量和成功率。 四模高斯玻色采样器（GBS）方案创新 核心的量子态合成策略利用四模受控的高斯玻色采样（GBS）装置，利用四个单模压缩源及精密的光学介入调控，实现多模式高斯态的纠缠。
随后通过在三个输出模式的光子数分辨探测，获得特定光子探测结果作为“守门器”，预言第四模式中目标GKP态的生成。此方法在保持系统整体单态纯净度的同时，可以根据调节的光学参数灵活生成不同晶格结构的GKP态，如矩形和六角形晶格，显著增强了实验的多样性与适配性。此外，优化的干涉器设计保证了尽可能短的元件链路，降低内部损耗。 实验实现与关键成果 实验中采用了两台泵浦激光器与多重激光反馈锁定机制，保证了非线性光路和探测系统的高稳定性及相干性。脉冲式激发模式以200kHz的频率运行，兼顾了高数据采集率和系统热稳定性。通过对约百亿次循环数据的采集与后处理，成功观察到区分度高的四峰位相和动量投影分布，及丰富的负维格纳函数网格结构，标志着高质量GKP编码态的准确定量制备。
生成的量子态在测量中表现出较高的支撑稳定子期望值，超过了传统高斯纯态极限，体现了显著的非高斯特征。这些指标与模拟结果结合分析表明，若进一步降低光学路径中的传输损耗至约99.5%以上，所生成GKP态即可满足容错阈值的有效压缩度需求，有望直接运用于大规模的容错光子量子计算机架构中。 创新架构与未来展望 当前使用的四模GBS设备虽然非全通用，但因高效性及低损耗设计成为实现单阶GKP态的关键平台。未来，通过采用两模或三模GBS组合，配合多重多路复用和魔法态繁殖缩放技术，可大幅提高成功概率及状态纯度，增强整体系统对传输和制备噪声的容忍度。Chip级集成更紧凑的功能模块和高效探测组件，将进一步促进工业规模量子光子处理平台的发展。 此外，该技术路线对量子网络和量子传感领域也有积极启示。
GKP态的固有错误纠正能力和非经典干涉模式，可结合分布式量子连接，实现远距离高保真量子通信。量子传感应用方面，利用GKP编码的高分辨干涉图案，为光学测量的灵敏度和抗噪声能力提供理论与实验支持。 技术挑战与解决策略 制约大规模生产的瓶颈主要集中在光子线路的光学损耗、谐振器频率稳定性、探测器的数字化读出速度以及整体系统的相干噪声管理。针对这些挑战，研究团队采用了多层硅氮化物集成方案，结合先进的热光相位调节和精密的电子反馈控制系统，有效平衡了灵活调控和性能损耗之间的矛盾。同时，优化光纤耦合技术，降低入射和出射端的损耗，确保多模块级联时信息不致严重衰减。 结语 集成光子学驱动的Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特合成代表了当今量子信息科学领域的重要突破。
超低损耗的硅氮化物光子芯片、超高效的钬锋传感器PNR探测器以及先进的多模干涉体制共同缔造了大规模、稳定且高质量的GKP态生成环境。此项技术不仅攻克了自由空间光学设备难以规模化和稳定控制的难题，也为实现容错光子量子计算机架构指明了清晰的路径。展望未来，持续的材料工艺升级、系统集成和算法优化，将推动GKP态生成技术迈向更高的性能和应用广度，加速量子计算产业化进程，开启量子信息新时代。
