随着量子计算技术迅速发展，实现高质量、可扩展的量子比特成为科研界的核心挑战之一。在众多量子比特编码方案中，Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）编码由于其对误差的高容忍性和与高斯态操作的兼容性，备受瞩目。GKP量子比特依托于光场的无限维希尔伯特空间，通过特定的有理格点结构展现出强大的误差校正能力，成为实现容错量子计算的重要候选。本篇深入探讨最新的集成光子学方法，如何在硅氮化物平台上成功生成高质量GKP量子比特，推动光子量子计算走向实用化。 光子量子计算的核心难题源于如何将传统激光器发出的经典光转换为能承载量子比特信息的非经典光学态。常规方案多依赖于自由空间光学组件和非线性光学过程，如参量下转换和自发四波混频，为产生压缩真空态和单光子态提供基础。
尽管这些方法在实验室中取得了不少成功，但自由空间架构的物理体积大、稳定性差，难以满足未来百万级量子比特的规模化集成需求。因此，在可制造的集成光子芯片上产生非高斯态光量子比特成为制胜关键。 最新的研究借助脉冲泵浦的单模自发四波混频，通过硅氮化物基的超低损耗多层芯片实现四路压缩态的生成。与以往宽带多模压缩态不同，该芯片实现了单时域模式的高纯度压缩态，确保量子态的清晰定义和稳定性。紧接着多路压缩态经过设计良好的光子干涉网络，相互纠缠并形成多模式高斯态，随后利用高效的数光子分辨的过渡边缘传感器（transition edge sensor，TES）进行选择性探测，完成特定GKP状态的预示。从根本上来说，这种基于多模高斯玻色子采样（Gaussian boson sampling，GBS）设备的方案将复杂的非高斯态制备转化为对拼接参数和检测模式的精细控制，极大提升了态生成的概率和质量。
在具体实验架构中，泵浦激光产生的脉冲光入射芯片，经由调制分发并激发四个光子分子谐振腔，产生压缩光。设计精确控制谐振腔自由光谱范围消除杂散非线性效应。经过阵列级联的非对称Mach-Zehnder干涉器实现有效泵浦光滤波与压缩态的叠加传输，形成可编程的四模干涉单元。三路输出模式经由波分多路复用滤波后连接极高量子效率且具备光子计数能力的TES，完成信息预示。剩余一模通过相干同频本地振荡器混频，并采用均衡本征探测器执行同相位信息采集，获得对态的完整波函数重建。 该平台实现了每个模式压缩度10 dB前及8 dB前的高性能压缩光生成，损耗降低到不足0.5 dB的光耦合，以及芯片内元件低至4毫分贝的微型耦合器损耗，保障了整体量子态的完整性。
TES探测器效率高达99.8%，带来了近乎完美的光子数分辨，极大提升了抱率。持续的数据采集量达到128亿次射频脉冲重复，获得纯净、稳定的三光子计数预示结果后，利用最大似然估计复原量子态密度矩阵，验证了生成态在相空间中的三乘三负Wigner函数负区域网格结构，精准表征GKP编码的格点拓扑。 这一方法不仅产生了量子误差校正所需的基本四峰清晰概率分布，更实现了首个在完全业界制造的集成光子芯片上，带有标志性GKP调制结构的量子态合成。实验结果中GKP态展现了稳定高峰值的Pauli稳定子期望值，远超传统高斯态极限，标志显著的非高斯性质。研究显示，进一步降低芯片及光学传输损耗至1%以下，便可促使该装置产生的GKP态达到接近10 dB的有效压缩度，进入量子容错运营门槛，预示着可规模化、实用化光子量子计算时代的到来。 集成光子平台特殊的楼梯式可编程干涉阵列设计兼顾了灵活性和损耗最小化，令多个相位调制单元及可调耦合器按设定参数重新组合压缩态，实现针对不同格子类型（矩形、六角形等）的GKP态定制化生成。
未来通过集成多芯片级阵列，可结合多模格点态精炼及适应性繁殖技术，进一步提高GKP态的备选成功率及容错能力。结合目前TES探测器的温度及尺寸控制优化，也预期硬件成本与复杂度持续降低，有望在接近室温环境条件下实现大规模光子态合成与测量。 该研究成果对光子量子计算领域意义深远，一方面提供了制造可复制、可扩展、场景适应强的GKP量子比特硬件平台，打破之前依赖自由空间或低温超导环境的限制；另一方面以广泛适用的硅氮化物工艺和成熟的半导体制造链路，铺设了从单芯片验证迈向百万光子比特量级系统的产业化桥梁。随着未来光学波导质量的不断提升及探测器集成化设计的完善，结合实时反馈控制与自适应量子态工程，预期在不久将来，光子基GKP量子比特将成为高通量、低误差率、多功能量子计算机的中坚技术。 总之，利用高度定制的集成光子设备，通过精准操控高阶压缩态及多模干涉，实现了GKP量子比特的首次超低损耗光学制备。该成果不仅突破了自由空间实验的瓶颈，更为构建容错光子量子计算体系奠定了关键基石。
未来，结合多模式光子器件架构、先进探测器与多阶段量子态精炼技术，融合晶圆级超低损耗加工工艺，将总纳入推动光子量子信息处理及广域量子网络的核心动力，开启量子计算技术迈向实用化的新纪元。
