量子计算作为信息技术的未来方向，一直以来备受全球科技界关注。在众多量子计算方案中，光子量子计算凭借其固有的高传输速度和网络连接优势，成为极具潜力的路线。然而，要实现真正意义上的容错量子计算，关键是要合成高质量的量子比特状态，而Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）编码为此提供了崭新的思路。GKP量子比特利用光学模式的无限维希尔伯特空间，实现了通过高斯操作即可完成普适门操作，其容错能力和环境兼容性使其成为光子量子计算的重要基石。 传统上，光学GKP量子态的合成依赖自由空间光学元件，这在系统集成和规模化制造方面存在显著挑战。最近，基于集成光子芯片的GKP量子比特合成技术实现了实质性进展。
该技术采用定制多层硅氮化物工艺制造，依托极低损耗的波导和高度可编程的线性光学干涉器，结合高效率的光子数分辨探测器，成功制备出在1,550纳米波段操作的GKP量子比特。此举不仅解决了传统自由空间复杂光路的稳定性和扩展性瓶颈，还为实现百万级光子源阵列创造条件，是推动大规模容错光子量子计算的关键进展。 GKP量子编码的核心优势在于利用了连续变量系统的无限维度，将量子比特信息嵌入到理想方格状的相空间态中，能够通过位移算子实现稳定化，具有较强的噪声抵抗能力。该编码允许使用相对简单的线性光学元件完成Clifford门操作，非Clifford门则可以通过制备辅助魔态来实现。因此，GKP状态不仅降低了量子门实现的复杂度，还对系统的光学损耗具有一定容忍性，适合在室温环境甚至现有光通信基础设施中推广应用。 集成光子芯片的设计在此次突破中起到了决定性作用。
芯片基于300毫米直径的硅氮化物晶圆制造，经过高度优化以减少光波导传播损耗，充分兼顾了非线性效应和制备单模压缩态的需求。通过集成多重谱线滤波器和调控阵列微环谐振器，芯片能够利用双泵浦自发四波混频产生高纯度的单模压缩真空态，作为GKP态构建的基础资源。之后，线性光学干涉器通过“阶梯”式可调耦合器阵列实现模式间的多路纠缠，生成多模高斯态。最后，三路光子数分辨探测进行精确态投影，成功触发出符合GKP编码要求的非高斯量子态。 该实验采取了全光纤包装与电学线束连接的技术手段，实现了芯片光学信号的高效输入与输出。量子态的输出端通过同相参量检测器进行完整的态层析成像，以验证制备量子态的保真度。
探测器方面采用低温过渡边缘传感器，效率高达近99.9%，内置光子数分辨功能，保障了状态制备过程的准确性和成功率。实验循环频率达到200千赫兹，经过长时间数据积累和噪声过滤，获得的量子态表现出三乘三网格结构的Wigner负值区域，明确展现了GKP态的典型格点特征和四峰分布，满足实现容错门操作的关键物理指标。 当前生成的GKP态经过详细的稳定子期望值和有效压缩度量化，展现出位置和动量两个正交量子变量上均至少四个可辨峰值，这对于实用容错编码极为重要。此外，非高斯特性通过多处负值区域的Wigner函数表现，印证了其在通用量子计算资源中的核心地位。虽然系统整体损耗因素控制在78%至82%区间，还未达到理论容错阈值99.5%以上，但模拟结果表明，一旦芯片芯片制造与光学传输路径损耗进一步降低，设备即可输出对称压缩度超过10分贝的高质量GKP态，满足容错量子计算的严格要求。 相比此前依赖超冷环境的离子阱或超导电路平台，集成光子平台不仅适合室温操作，更具备高度可扩展性与网络化优势。
未来可望通过制造更紧凑、低损耗的多模服从结构化模式的GBS（Gaussian Boson Sampling）源，结合状态再处理技术如重调制、增益过滤和适应性合成，实现百万规模GKP量子比特阵列。这将直接支持基于测量的集群态量子计算架构，为最终实现实用型量子计算机开启新的道路。 展望未来，集成光子源的制造技术仍有提升空间。进一步改善光波导界面质量，降低耦合损耗和芯片内部散射，研发更高效、低延迟的光子数探测器，将直接提升GKP态的制备成功率和质量。此外，将集成光子平台与其他量子硬件系统无缝衔接，发展光子纠错码的编解码技术，推动多维度容错体系建设，同样是关键研究方向。此外，探索多种晶格结构GKP态的灵活制备与转换，将丰富输入态多样性，支持更高效的量子算法实现。
此外，GKP编码的独特优势也将促进其在量子通信与量子传感领域的应用。例如，在量子网络建设中，利用GKP态的纠错特性可显著降低信号传输损耗引发的误码率，提高远程量子态传递的稳健性。量子传感方面，嵌入GKP编码的传感器能够在高噪声环境下保持灵敏度，为精密测量和环境监测提供新的技术手段。 总体而言，集成光子源合成的Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特代表了光子量子信息处理发展的重要里程碑。它的成功体现了先进半导体制造技术与量子光学理论的深度融合，也为推进量子计算走向商业化、实用化奠定了坚实基础。随着相关工艺不断成熟，GKP量子比特的集成生产和大规模部署将成为现实，驱动量子技术进入高速发展新阶段，并赋能更多颠覆性应用。
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