随着量子计算技术的迅速发展，光子量子计算由于其固有的高速传输和低环境耦合损耗，逐渐成为实现实用量子计算的重要路径之一。在众多光子量子比特编码方案中，Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特以其独特的理论优势和较强的误差容忍性，被业界广泛关注。然而，如何高效、大规模、稳定地生成光学GKP状态，仍是阻碍光子量子计算迈向实用化的关键挑战。近期一项突破性的研究成功实现了基于集成光子芯片的GKP量子比特源，为光子量子计算的发展注入了新的动力。 GKP量子比特的理论基础建立在连续变量光学模式之上，它利用光场的无限维希尔伯特空间，将逻辑量子信息编码在具有特定周期性结构的相空间网格态上。这样的结构使得GKP状态能够通过简单的线性光学操作和高效的高斯过程，实现克利福德门的确定性操作，同时对高斯噪声和光学损耗表现出显著的鲁棒性。
这种特性不仅降低了量子门操作的复杂度，也为构建容错量子计算系统提供了坚实的基础。此外，GKP量子比特还是实现量子通信和量子传感等场景中的关键资源。 传统的生成GKP状态方法大多依赖于自由空间光学实验设备，这种方式虽然能够实现高质量的量子态，但在系统复杂性、稳定性和可扩展性方面存在显著局限。自由空间元件的体积庞大、光学对准需求严苛，难以支持百万量级以上的量子比特集成，也难以适应未来大规模量子计算机所需的多通道并行处理。为此，集成光子技术以其微型化、低损耗和高可控性，为光子量子比特源的规模化制造提供了理想解决方案。 集成光子芯片利用定制的多层硅氮化物平台，结合先进的300毫米晶圆制造工艺，成功实现了超低光学损耗的波导结构和多功能光学元件的集成。
该平台不仅确保了高品质的单模式挤压态光源，还支持精确的线性光学干涉器编程，极大地提升了生成多模纠缠态的能力。通过在芯片上内置微环共振器阵列，增强了四波混频非线性过程，实现了高强度的单模式挤压光，从而为生成复杂的非高斯GKP状态奠定了基础。 为了有效地选取分布在多通道的光子数分布模式，研究团队结合了先进的过渡边缘传感器（TES）光子数分辨探测器。这些探测器不仅具备近乎99.9%的探测效率，还能在低温条件下精准区分不同光子数事件，成为实现GKP状态触发制备的关键环节。通过对三条输出模式实施光子数分辨检测，成功将多模干涉的输出条件化，确保剩余的单模光场具备符合GKP编码要求的周期性相空间结构。 这一集成光子平台实现的GKP量子比特在位置(q)和动量(p)两个正交的量子变量上均展示了超过四个清晰可辨的峰值，且其Wigner函数中存在明显的负区域网格，构建了3x3的相空间负区格局，充分体现了高质量非高斯性质。
实验结果表明，该系统产生的GKP状态的稳定性和纯度达到了接近容错门限的水平，而更进一步的光学损耗降低将有望使这些状态完全满足大规模容错光子量子计算的需求。 实验中，为确保摆脱泵浦光背景噪声对探测的干扰，芯片集成了多个马赫-曾德干涉器（MZI）进行泵浦光滤波，同时稳定机制保障了微环共振器的谐振波长和相位的高度锁定，确保了量子态的时间和频率模态纯净性。此外，整个实施过程中，通过160亿次测量的庞大数据集，研究团队采用最大似然估计方法精确重构了密度矩阵，验证了GKP状态的高信噪比和非高斯资源特性。 事实上，这项成果不仅代表单个GKP量子比特的突破，更为多量子比特的集成态批量制备铺平了道路。随着集成光子工艺技术的不断成熟，可以预见未来通过晶圆级生产实现百万级以上GKP源的方案将成为现实，配合数以千计的光子数分辨检测器和自动化控制系统，光子量子计算的实用化指日可待。 从更广泛的视角来看，GKP量子比特的集成光子源打开了光子量子计算体系架构设计的新纪元。
诸如基于集群态（cluster state）的测量驱动计算框架，将受益于大规模高品质GKP态的稳定供应，进而实现可扩展、容错且资源高效的光子量子信息处理。此外，GKP编码的特殊性质还将促进量子通信网络的安全升级，提高量子中继节点的容错性能，增强量子传感应用中的灵敏度和抗干扰能力。 当然，当前系统的光学损耗和芯片内器件的优化仍有提升空间，未来研发的重点将围绕进一步减小传播损耗、增加元件的可重配置性、提升多模干涉的精度和稳定性，以及探索结合多阶段精炼（refinery）和自适应培养（breeding）技术，以增强GKP状态的纯度和成功率。与此同时，低温超导探测器的集成度和系统集成方案也需进一步创新，推动整体系统向实用标准靠拢。 总之，集成光子源生成Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特的实验突破，不仅为光子量子计算机的发展描绘了切实可行的技术路线，也推动了量子计算领域跨越挑战，迎向多模、多通道、容错的大规模实用时代。随着相关技术的不断积累和完善，光子量子计算有望在不远的将来实现普适量子计算和超越经典计算机的性能，引领新一轮科技革命和产业变革。
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