近年来，随着量子计算技术的飞速发展，量子比特的实现方式和编码方案成为科学界的研究热点。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）编码方案在量子信息处理中因其独特的优势而备受关注。GKP量子比特通过在光学模式的无穷维希尔伯特空间中编码，可使量子门操作更加确定且在室温条件下即可实现，为光子量子计算铺平了道路。尤其是集成光子技术的发展，让实现可扩展、高效且低损耗的GKP量子比特光源成为可能，正在推动量子计算进入实用化阶段。GKP量子比特的核心吸引力在于其对量子错误的天然抵抗能力，尤其能够应对诸如光学减损等高斯误差，从而大幅提升量子计算的容错阈值。传统的单光子编码模式往往面临非确定性量子门操作的挑战，且大部分组件需工作在极低温环境，有一定的局限性。
相比之下，GKP编码使用频域和相空间中的格点结构，通过高斯操作和简单的光学元件即可实现鲁棒的量子门操作，极大简化了系统复杂度。最新的研究成果展示了一种基于超低损耗的集成光子芯片，利用多层定制硅氮化物材料平台，成功制备具备四个可辨识峰的GKP近似态量子比特。该芯片通过共振增强的多微环共振腔设计，实现了高强度单模挤压状态的产生，并结合灵活的线性光学干涉结构，实现复杂多模式纠缠的合成。为了实现状态的先导（heralding）和高精度的态断言，研究团队采用了接近99.9%探测效率的过渡边缘传感器（TES）光子数分辨检测器，保证了高保真度和高成功几率。实验中，光子数分辨的探测结果触发相应的GKP态生成，同时利用均衡同调检测完成量子态断层测量，从而完整重构量子状态的密度矩阵和Wigner函数。所展示的Wigner函数显示出清晰的3×3格点负区域，这一特征证明了GKP态的非高斯特性和实现波函数的格点调制，体现了用于容错的核心资源。
集成光子芯片高度集成的设计减小了光学路径损耗，且采用定制的光波导和冷却技术，保证了芯片系统的稳定性和光子源的纯净度。与以往依赖自由空间光学元件的实验室装置相比，集成光子光路的优势显著，因其易于规模复制、集成度高且更适合工业化生产。这些技术进展也为未来构建百万级别量子比特数的光子量子计算机奠定了基础。利用四模式高斯波色子采样（GBS）设备，通过精密调控的搅拌器件和多模挤压态输入，实现对高质量GKP态的调制。每次实验以200kHz的速率重复进行，成功率达到30Hz左右，远超早期基于单光子概率触发的产率。通过调控泵光强度和干涉器参数，可以在不同光子数计数事件中产生多种形式的非高斯态，其中包括不同格点结构的GKP编码态和薛定谔猫态，展现了该平台的灵活性和多样性。
关于未来走向，研究指出进一步降低光学损耗是实现实用错误阈值的关键。当前系统落在78%至82%的传输效率区间，虽然已展现出良好的GKP特性，但跨越99.5%的极致效率将使系统达到容错的有效挤压水平（约10dB），使该方案有望满足大规模容错量子计算的需求。此外，更加紧凑和模块化的集成方案、结合多阶段量子态提纯和繁殖技术，将成倍提升生成概率和态的保真度，帮助应对实际中的误差和噪声。该光子集成平台使用了连续波段通信波长（1550nm），与现有光纤通信和互联网基础设施具备良好兼容性，这使得基于GKP编码的量子网络和远距离量子通信成为可能。通过该技术，不仅量子计算机可以获得更加可靠和可扩展的量子比特资源，量子传感和量子密钥分发等领域也将获益于其高精度的量子态控制。实验中还涉及到先进的激光系统，采用多激光频率锁定和调制技术，产生了纳秒级的泵光脉冲，配合严格的相位稳定机制，保证了光子态的高稳定性与可重复性。
同时，为了实现对复杂光路的精确控制，芯片内集成了热光调控器件，允许动态调节干涉条的耦合关系和相位，进一步提升设备的灵活性和可配置性。过渡边缘传感器作为量子光子数的核心探测元件，采用低温稀释制冷技术，结合精密的光学耦合设计，实现了高效率与低误码率的光子探测。其高度的光子数分辨能力，使得复杂的多光子激发模式得以高保真度识别，极大增强了GKP态的制备和判别能力。本文展示的成果显示，GKP量子比特的光学制备已进入集成化、实用化的重要阶段。通过集成光子芯片与高效光子探测技术的有机结合，缩短了从实验室演示到工业应用的距离。随着光子芯片制造工艺和量子测量技术的持续进步，预计未来将实现大规模、多模高品质GKP态生成，形成全球首个容错光子量子计算体系。
综上所述，GKP量子比特的集成光子源不仅解决了自由空间技术难以克服的扩展性和稳定性问题，还为实现室温操作的实用量子计算提供了坚实基础。在数字经济和量子技术日益融合的背景下，这一突破性的技术进展为全球量子计算产业注入了强大动力，预示着新一代量子计算机和量子通信系统的兴起。积极推进相关研发，促进跨学科协同，将极大加速量子科技走向现实，开启计算与信息处理的新纪元。
