随着量子计算研究的不断推进，光子量子计算因其固有的高速传播和易于网络连接的特性而备受关注。在众多量子比特编码方式中，Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）编码以其独特的容错优势和操作简便性成为研究热点。传统的GKP状态生成多依赖于自由空间光学系统，体积庞大且难以扩展，限制了其实用化的发展。近期，集成光子学平台上的突破为实现大规模、可扩展且高效的GKP量子比特生成铺平了道路，本篇文章将深入剖析这一创新成果及其背后的技术细节。 光子量子计算的核心挑战之一在于如何高质量地合成非经典态，这些态既具备数字比特编码的能力，又便于进行逻辑操作。GKP量子比特利用光学模式内无限维希尔伯特空间，以特定的栅格结构编码信息，不仅能通过简单的线性光学元件实现克利福德门的确定性操作，还能天然抗噪声，特别是对高斯噪声表现出较强容错能力。
因此，GKP编码被视为实现实用光子量子计算机的关键。 然而，创造高质量GKP态一直是光子量子信息领域的瓶颈。基于自由空间组件的实验往往体积庞大，稳定性差且难以实现动辄需要数百万个相同光源的规模化生产。针对这一问题，最新研究采用了超低损耗的硅氮化物集成光子芯片，利用定制的多层工艺制造300毫米晶圆级芯片，实现了在紧凑体积极小损耗的环境中生成GKP量子比特状态。 实验中，研究团队通过四模高斯玻色子采样设备产生约束态。当系统使用四个单模压缩态，经过可编程干涉仪的相干耦合后，通过三路光子数分辨检测器对输出状态进行守护筛选，从而在剩余一条光路中实现GKP量子比特的生成。
该装置采用共振增强的自发四波混频过程，在光子生成端精细调整泵浦激光参数以优化压缩态质量。芯片内所有光路均经过高度集成的滤波和干涉控制，有效抑制杂散光和噪声，确保所生成的非经典态具备多峰的量子概率分布及负符号的Wigner函数区域。 生成的GKP量子比特展现了至少四个可分辨的峰值分布，在位置和动量两种正交坐标中均表现出明显的栅格结构。Wigner函数测量发现，状态中存在3×3网格结构的负区域，这一特征是量子态非经典性和量子计算资源不可或缺的指标。通过严格的密度矩阵重构和有效挤压度评估，实验所得的GKP状态已超过纯高斯态可达到的极限值，展示出实用的量子信息处理潜力。 此外，实验中不同的光子数检测模式还能触发多样化的复杂非高斯态生成，如光子数分布为(1,1,1)时出现的薛定谔猫态以及(1,3,3)对应的六方晶格结构态。
这种多样化产物的能力为未来在集成光子平台上构建更复杂的量子网络以及实现多种逻辑态转换提供了坚实的基础。 值得注意的是，目前实验的光学通路传输效率大约在78%至82%之间，限制了状态的最终质量。理论模拟显示，只要整体传输效率接近或超过99.5%，设备便能够生成满足容错门限（约为10 dB有效挤压度）的GKP量子比特。为此，研究者们针对芯片设计、工艺加工和封装技术持续优化，例如提升波导传输损耗、改进耦合结构以及降低光子探测器损耗等，致力向接近理想传输环境迈进。 本集成平台的核心技术优势不仅包括低损耗和超稳定性，还涵盖了与超灵敏过渡边缘传感器（TES）探测器的高效光纤耦合。这些探测器实现了超过99%的探测效率，且具备内在的光子数分辨能力，极大提升了量子态的守护效率。
此外，通过集成电光调节器实现干涉仪灵活编程和精细稳定光路相位，为多模态复杂态的生成和操控奠定了基础。 展望未来，随着更多模式的加入与多路复用技术的应用，集成光子平台极有可能成为可扩展、经济的GKP量子比特工厂。结合后续的状态提纯（refinery）和繁殖（breeding）等处理工艺，有望在全光子架构下实现高成功率、高质量的容错量子计算。此外，该技术对量子通信和量子传感领域也具有深远影响，为构建复杂光子网络和提高量子测量灵敏度提供新思路。 综上所述，基于定制硅氮化物制程的集成光子芯片结合高效光子数分辨检测器，为GKP量子比特的生成提供了突破性解决方案。这一进展不仅验证了光子介质在大规模容错量子计算中的关键角色，更展示了融合先进微纳光子技术和量子测量技术的巨大潜力。
随着该领域持续发展，未来光子量子计算机的“飞跃”或将成真，推动信息处理进入全新时代。
