量子计算作为未来科技的前沿领域，承载着变革传统计算模式、加速复杂问题解决的巨大潜力。在众多量子计算架构中，光子量子计算因为其天然的高速传播、低噪声及易于网络化连接的优势，一直备受关注。特别是以Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特为代表的光子量子信息编码方式，因其对容错操作的适配性和可扩展性，成为实现实际光子量子计算系统的关键方向。近期，基于集成光子芯片的GKP量子比特生成技术取得突破，为未来大规模光子量子计算铺平了道路。 GKP量子比特本质上是通过将量子信息编码在光子的相位空间中无限维希尔伯特空间的网格态实现的。这种编码方式不仅允许利用传统的线性光学器件实现确定性的克利福德门操作，还内建抵抗高斯噪声的机制，尤其对光学损耗有较好容忍度，为容错量子计算奠定了坚实基础。
同时，GKP编码的非高斯特性通过其在相空间中的负的Wigner函数表现出来，是实现通用量子计算不可或缺的资源。 传统的GKP光子态生成多依赖于体积庞大且易受环境影响的自由空间光学平台，限制了实验规模的扩展和系统的稳定性。这种方法虽然在概念验证层面有效，却难以支持数百万个量子比特级别的实用量子计算系统构建。为此，集成光子技术成为推动GKP量子比特实用化的关键。商用半导体制造工艺级别的集成光子芯片，在硅氮化物材料平台上实现了超低光学损耗和高度光路可编程性，极大提升了GKP态生成的稳定性、效率和可复制性。 近日，一项利用硅氮化物基集成光子多层晶圆工艺研制的四模高斯玻色子采样（GBS）源，实现了稳定生成GKP量子比特状态的突破。
该芯片内集成了四个多谐振微环谐振器，利用双泵浦自发四波混频（SFWM）过程产生单模压缩真空态，进而通过精密调控的线性干涉器实现多模纠缠。结合高效的光子数分辨探测器对输出模式进行选择性触发，实现了对目标GKP态的准确定义和采集。此次成果不仅诠释了GKP编码状态所需的相空间结构特征，如在位置与动量象限中均展现出至少四个可分辨峰值和包含负值区域的清晰格子形Wigner函数，更通过实验数据展示出该平台有望通过进一步降低系统光学损耗达到容错门限要求，成为未来实用光子量子计算机的核心源头装置。 在实验层面，集成光子芯片结合了高品质微环谐振器设计与优化后的波导结构，保证了激光泵浦与生成光子强烈的谐振增强效果，最大程度减少光子损耗和噪声产生，提升了压缩态纯度与强度。电光调谐器与热控芯片的集成不仅实现了线性干涉器的可编程性，还增强了整个系统对环境扰动的鲁棒性。光纤连接和多路复用技术确保了芯片输出的光子能够高效导入探测器，保障粒子计数与状态投影的精准性。
光子数分辨探测器采用了处于极低温度环境的过渡边缘传感器（TES），达到了近乎饱和的检测效率，支持精确解析多光子同时到达的事件，成为实现高保真GKP态制备与验证的关键技术。该检测系统与芯片的协议性同步，使得海量重复测量后数据通过量子状态层析技术还原出目标态的密度矩阵，完成对GKP状态的全面定量评估。 GKP量子比特的质量通常通过稳定子算符期望值表达，进而与该态的有效压缩量对应。此次实现的四模GBS方案在(3, 3, 3)光子数模式触发下，所制备的GKP态稳定子期望值超过传统单模压缩态极限，体现出非高斯特性的增强和极佳的模型匹配。有效压缩数据表明，通过降低80%~82%的系统总损耗至99.5%以上将实现超过10dB的对称有效压缩，达到目前理论推导的容错阈值水平。这表明该芯片架构具备高质量且规模潜在可扩展的GKP态合成能力。
不仅如此，实验还揭示了不同的测量模式可触发多种格子结构复杂的非高斯光子态，包括矩形与六角形格子形态的GKP态以及类薛定谔猫态等，展现出多样的量子态库和灵活的态合成能力。通过后续扩展的多模式合成与杂交策略，结合积极的状态筛选与繁殖技术，有望显著提升GKP量子比特的制备概率与质量，从根本上推动以光子为载体的容错量子计算架构的落地。 展望未来，提升器件光学传输效率、优化芯片结构设计、提高制造良率以及探测器的进一步性能改进，将是推动该技术商业化和实际应用的关键。此外，集成的多芯片网络架构则为实现百万量级GKP量子比特阵列提供了技术保障。随着工业规模化晶圆厂的介入，该类基于硅氮化物的集成光子平台将成为支撑新一代量子计算机的基础构件。 从学术与产业角度来看，集成光子GKP量子比特生成技术不仅加速了光子量子计算实现的步伐，还丰富了量子信息理论关于非高斯态及高维编码的实践理解。
同时，它还在量子通信、量子传感以及量子网络的构建方面表现出广泛应用潜力。无论是作为量子中继节点的安全信息编码，还是用于精密传感中的量子资源，该技术的成熟都将带来显著的技术革新和商业价值。 综合而言，集成光子平台实现的GKP量子比特生成突破，标志着光子量子计算进入了一个全新的里程碑阶段。它不仅解决了以往自由空间平台的局限性，提供了高度集成、低损耗、高效率的系统解决方案，也为未来构建实用性的容错光子量子计算系统奠定了基础。随着制造工艺与设备技术的不断优化，这一领域将迎来更大规模的实验验证与产业化应用，以期实现量子优越性和量子计算的真正普及。
