量子计算领域的发展正处于快速演进阶段，其中量子比特的物理实现方式成为推动整体技术进步的关键因素。Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）量子比特因其独特的编码方式和对误差的强大抵抗能力而备受关注。京东科学院和Xanadu等多家科研机构致力于通过集成光子学技术实现光学GKP量子比特的生成，这不仅展示了GKP编码在光子体系中的可行性，也为未来实现容错光子量子计算和量子网络提供了新思路。本文将详细介绍GKP量子比特的核心原理，阐述集成光子学在高性能GKP状态制备中的应用优势，解析最新实验成果，并前瞻这一技术的发展趋势与应用潜力。首先，需要理解GKP编码的基础理念。GKP量子比特是将信息编码在光学模式的量子相空间上的离散格点中，通过产生具有周期性正负干涉结构的量子态，实现对位移误差与光学噪声的内在纠错。
相比传统的单光子或双轨道码，GKP编码充分利用了量子振荡器存在的无限维希尔伯特空间，允许使用高斯态和简单线性光学元件来执行确定性的Clifford门操作，极大提高了量子门的可靠性与效率。此外，随着魔态量子的注入，GKP体系能够实现通用量子计算。针对制备GKP状态的具体技术路径，近年来传统的自由空间光学实验展示了生成GKP近似态的可能，但系统庞大且扩展性差，难以满足未来实用大规模量子计算对集成度和稳定性的需求。因此，集成光子学平台作为一种突破，利用硅氮化物（SiN）等低损耗材料在CMOS兼容的300mm晶圆上搭建起复杂而精密的光子电路。该平台通过集成微环谐振器阵列，采用受激四波混频（SFWM）技术，实现近单模的强挤压真空态产生。随后利用可编程干涉仪将多模式挤压态纠缠，并结合高效的光子数分辨（PNR）探测器进行条件探测，实现对特定光子数出发时对应的量子态的筛选和制备，从而生成目标的GKP编码态。
实验中，通过多种光子数探测组合，成功制备出多个构型的非高斯光学态，包括带有明显Wigner函数负值格点的矩形和六角形格子结构，验证了该技术生成高质量GKP量子比特的能力。核心指标如稳定子期望值和有效挤压程度均达到或接近实用容错门限，展现出该集成系统的实用潜力。为了确保严谨的态量子断层扫描，研究团队采用高量子效率的过渡边缘传感器（TES）作为PNR探测器，具体探测效率最高达到近99.9%。同步采用高稳定度激光系统和调制方案保证了干涉仪路径的相位锁定及泵浦光的严格控制。此外，通过优化芯片内线性元件的损耗及耦合效率，整体系统的光学传输效率维持在80%以上。尽管目前仍面临降低芯片损耗和探测器系统损耗的挑战，但模拟结果预示若总损耗降低到1%以内，便可实现更优质近理想的GKP态。
集成光子学方案同样具有高度可扩展性。通过多芯片阵列和波长复用方案，未来将可实现数百万个独立来源的GKP量子比特，为构建规模化光子集群态及复杂量子网络奠定基础。此外，其室温操作和符合现有半导体制造流程的优势，降低了量子计算机商业化和产业化的门槛。当前研究还拓展了GKP编码在量子通信、量子传感等领域的应用可能。由于其对高斯误差的鲁棒性和高效的容错能力，在长距离量子纠缠分发、量子密钥分发、量子传感器灵敏度提升等方面都显示出显著优势，这使得GKP量子比特不仅仅是一种计算资源，更是量子信息处理的多功能平台。展望未来，随着芯片制备工艺的不断完善，进一步降低损耗并实现多模式均衡挤压，将推动GKP态质量迈向容错操作门槛之上。
同时，对高性能PNR探测器的研发和集成也将得到进一步强化。配合成熟的多模波导设计与新型相位调控技术，预计将大幅度提升整体系统的灵活性和协议适应性。通过进一步与量子存储及量子处理单元的兼容整合，集成光子学平台有望成为实现实用量子计算机的关键技术支柱。此外，跨学科的协同创新也将发挥重要作用，从材料科学、纳米制造到算法优化，多方面突破将共同推动GKP编码量子比特的工业化应用。总结而言，集成光子学来源的Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特技术，代表了量子信息科学中极具前景的研究方向。通过集成芯片中的多模式挤压态产生、精密线性光学线路设计以及高效光子探测，科学家们成功制备出高质量的GKP编码量子态，为光子量子计算的容错和规模化应用奠定了技术基础。
未来，随着相关技术的不断完善与集成方案的升级，GKP量子比特有望在量子计算、量子通信和量子传感等多领域实现突破，助力量子技术进入实用化新纪元。
