量子计算作为下一代计算创新的核心技术，正逐渐成为科学研究和工业应用的重要驱动力。在众多量子计算框架中，基于光子的量子计算因其天然的高速和低环境干扰优势，受到了广泛关注。而Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特编码方案作为一种利用连续变量光场实现容错量子计算的创新路径，近年来成为光子量子计算领域的研究热点。最近，一项基于集成光子芯片的GKP量子比特光子源研发成果，不仅克服了传统自由空间光学设备带来的体积庞大和不稳定问题，也为实现大规模、可扩展的光子量子计算奠定了坚实基础。 GKP量子比特编码的核心优势在于其利用量子谐振子的无限维希尔伯特空间，将量子信息映射为相空间中的格点态。这一格点结构不仅使得Clifford门操作可以通过简单的线性和高斯操作以确定性方式实现，还对光学系统中的高斯误差表现出良好的鲁棒性，从而极大增强系统的容错能力。
同时，GKP态中丰富的非高斯特性为实现通用量子计算的非Clifford门提供了必要资源，推动光子量子计算由理论走向实用成为可能。 生成高质量的GKP态则是实现光子量子计算关键技术瓶颈之一。传统的生成方案多依赖自由空间内复杂且易受环境干扰的光学组件，例如脉冲激光、反射镜、分束器及非线性晶体等。这种自由空间架构不仅限制了系统的稳定性和紧凑性，更不利于大规模并行制造，更遑论拓展至多量子比特集群状态合成。基于以上挑战，采用集成光子学技术进行GKP态生成成为当前科研的重中之重。 近期，研究团队成功开发了一款基于定制硅氮化物（SiN）材料的多层300毫米光子芯片，该芯片实现了超低传输损耗，并集成了用于生成多模纠缠高斯态的有源器件。
采用该芯片结合增强型自发四波混频（SFWM）技术，实现了近似单模、高纯度的挤压真空态制备。通过精密设计的线性光干涉网络，四个单模式挤压态被纠缠并通过高效率光子数分辨探测器（Transition Edge Sensors, TES）进行条件检测，从而成功实现了GKP量子比特的先导态制备。 光子数分辨探测器在此次实验中发挥了关键作用，得益于先进制备工艺，探测效率达到最高可近99.9%，同时具备良好的时间分辨能力和低噪声特性。高效的探测器不仅显著提升了GKP态的生成成功率，也保障了输出态的纯度和稳定性。结合芯片端到端的系统传输效率达78%至82%，实验最终制备出的GKP态在相位空间的p和q正交量上均展示了至少四个可区分的峰值，标志着实现容错关键指标之一的条件已经满足。同时，经量子态层析后，该量子态的负维格纳函数展示了3×3的清晰格点结构，这一非高斯特征为实现普适量子门操作提供了必要的资源。
该集成光子平台不仅体积小巧和稳定性远超传统自由空间光学系统，其制造与封装技术与现代半导体工业兼容，具备大规模量产能力。芯片中集成的光子分布器件、滤波器和可调节干涉器均通过热光电调制，实现实时可编程操作，增强了态制备灵活性，为构建高维度量子纠缠态网络提供了强而有力的支持。 实验中四模高斯玻色子采样（GBS）器件的参数调优与量子光路设计严格结合，确保生成的量子态满足GKP编码所需的相空间格点结构。三路光子数探测结果用以先导GKP态，第四路通过均衡的同频干探测实现态的完整重构。在这一测量链路中，严格的光子脉冲同步和相位锁定保证了实验整体的相干性，实验周期达到每秒20万次，充分积累大规模统计数据，提升态重构的准确性和置信度。 尽管当前实验的光学路径损耗仍限制了生成的GKP态有效挤压度达不到理论容错要求，但研究者的模拟结果表明，若整体系统传输效率可提升至99.5%以上，使用更高光子数探测事件模式即可生成有效挤压度达10 dB以上的GKP态，足以满足未来量子计算的容错阈值。
同时，实验还展示了多种不同探测事件触发的非高斯态，包括蜥蜴态和六方格点结构态，显示出该平台在资源态合成上的多功能性和可扩展性。 从长远视角看，这一集成光子GKP源的实现铺平了通往实用光子基量子计算机的道路。其基于硅氮化物的制备工艺与高效光探测结合，不仅为实现在室温下可操作的容错光子量子计算机提供了切实方案，也极大地推进了量子通信网络、量子传感技术乃至复杂量子模拟的发展潜力。特别是在构建容错光学量子网络所需的高质量多模纠缠资源态、量子误差校正和动态反馈方案中，该技术展现出巨大应用前景。 当然，当前集成系统仍面临一些挑战，诸如如何进一步降低芯片内的光学损耗，提升结合同频滤波与探测的整体量子效率，以及实现更复杂和通用的光路可编程性等，都是后续研究必须攻克的关键问题。此外，配合适当的多模多模态编解码算法和高效动态多路复用技术，将成为推动规模化量子处理单元的重要基础。
综上所述，基于集成光子芯片的GKP量子比特光子源取得的重大科研进展，标志着量子计算技术从实验室自由空间的概念验证走向工业化可扩展制造的新纪元。它不仅解决了此前非高斯光子态生成的核心难题，也为开发下一代高性能、稳定且可扩展的光子量子计算平台立下了里程碑。未来，随着材料科学、纳米加工技术与量子探测技术的持续融合创新，光子集成GKP态的质量和生成效率必将实现更大突破，进而带动全球量子信息产业的快速迭代与繁荣发展。
