量子计算作为下一代信息处理技术，正以前所未有的速度发展并不断突破传统计算的限制。在众多构型中，光子量子计算因其环境适应性强、远距离传输优势明显以及兼具较低噪声的特点，使其成为量子技术研究和应用的重要方向。然而，如何高效稳定地生成能够实现容错的光子量子比特，成为了实现实用量子计算的关键技术难题。Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）编码的量子比特以其在连续变量体系中的独特编码方式，显示出对噪声的天然抵抗能力，极大地提升了量子计算的容错性能，这使得GKP量子比特成为构建鲁棒光子量子计算机的核心单元。近年来，一项利用集成光子学芯片生成GKP量子比特的新兴技术，标志着量子计算硬件迈出了重要一步。该技术集成了超低损耗的硅氮化物平台和高效的光子数分辨探测器，实现了光学GKP状态在室温环境下的可扩展制备，展现出与未来大规模量子计算系统兼容的潜力。
集成光子学平台采用多层硅氮化物300毫米晶圆工艺，凭借其优异的光学性质和制备工艺，实现了单模高纯度压缩态的生成。通过利用受控的光学干涉和多模式纠缠，光子态被程序化以实现GKP量子比特的制备。这一过程中，非线性四波混频效应被严格调控，确保抑制不必要的寄生非线性过程，保证产生高质量的压缩真空态。同时，集成的马赫-曾德干涉仪用于有效过滤泵浦光，维护输出光场的纯度。此类芯片的设计还将可调相位控制器巧妙集成，使干涉装置具备动态配置能力，进一步提升生成态的灵活性和可控性。光子数分辨（PNR）探测器作为重要的状态制备监测环节，采用于冷却至超低温度的过渡边缘传感器技术（TES），其具备近乎百分之百的探测效率和极高的时间与数目分辨能力。
借助这些探测器对多模输出进行检测，实验能够在多次重复操作过程中筛选并置备用于GKP态制备的光子检测事件，从而实现高保真度的量子态制备。该系统的成功运行在实验中以特定的PNR结果标志，实现了有至少四个可分辨峰值的GKP态在位置与动量正交基上的精细结构，展现出清晰的负Wigner函数格点特征，验证了其非高斯资源量化要求。该研究不仅在理论模拟中表明，当光学损耗进一步降低至约1%以下时，所制备的GKP态将达到公认的容错门限，有望实现真正的容错量子计算，还证明了该集成光子学系统可扩展至数百万个独立的量子态源，满足未来实用量子计算机的需求。现有的光子门操作通常依赖于复杂的自由空间光学系统，难以规模化制造和稳定维护，而集成光子学芯片的引入，大大简化了体系复杂度，提升了整体系统的稳定性和扩展性。此外，集成芯片还能与现有的光通信基础设施无缝结合，为构建分布式量子网络和量子通信系统提供技术路径。生成GKP态的关键在于将多个单模的压缩态通过精密调控的线性光学网络实现模式间干涉与纠缠，随后通过特定模式上的光子数计数实现基态选取，即所谓的“信号烧录”过程。
这一过程体现了“高斯玻色采样（GBS）”的思想，结合多模式纠缠态产生与光子探测，有效创建所需的非高斯GKP状态。通过对各种光子数探测结果的条件筛选，研究人员能够产出丰富的非高斯量子态，包括不同晶格结构的GKP态，如矩形和六边形格点态，进一步拓展了量子态工程的多样性和灵活性。技术实现上的突破还体现在高精度的激光锁定系统与超短脉冲泵浦技术，确保了非线性过程的高效激励和频率稳定性。脉冲形态和时间模式的精密匹配极大地降低了模式杂散和噪声，保证了量子态的单模式性质和相干性。与此同时，集成电光控制实现了快速的状态编程与动态调节，为未来可编程光子量子计算机的发展奠定基础。从更广泛的视角来看，集成光子学制备GKP量子比特技术的问世，极大推动了光子量子计算在多领域的应用前景。
其在量子通信中作为容错逻辑量子比特，实现高保真长距离传输的潜力尤为引人瞩目。此外，在量子传感和测量领域，GKP态的独特结构可被用作高级量子传感器，提升传感灵敏度和鲁棒性。未来，进一步推动光学元件的低损耗化、多路复用技术的集成以及二次加工过程如“炼制”和“饲养”策略的应用，将会不断提升GKP状态生成效率和质量，突破当前成功率和稳定性的瓶颈。伴随量子探测器性能提升及高速电子控制技术的结合，整体系统有望实现实时反馈控制与多模式纠缠态的快速制备，促进大规模光子量子计算体系的形成。总结而言，基于集成光子学的Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特生成技术，为判断光子量子计算机的实用化奠定了坚实的硬件基础。通过融合高质量的非线性光学制备、高效的光子探测技术及成熟的芯片制造工艺，该技术路线不仅解决了传统自由空间光学体系的规模化和稳定性难题，更为未来构建可扩展、容错且高效的光子量子计算平台提供了实际可行的路径。
随着研究的不断深入和工艺的持续优化，集成光子学GKP量子比特源必将在量子信息科学领域扮演越来越关键的角色，引领量子技术迈向更高水平的应用与创新。
