随着量子计算技术的迅速发展，光子作为理想的量子信息载体之一，因其低噪声、易于调控和天然适合信息传输的优势，备受关注。然而，构建一个实用的、容错的光子量子计算系统，依然存在着诸多技术挑战，其中如何高效稳定地生成可编码量子信息的非经典光量子态尤为关键。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特作为一种基于连续变量量子系统编解码的方案，以其利用无限维希尔伯特空间编码离散量子比特、兼具对高斯误差的强容忍性及实现通用门操作的便利性，成为光子量子计算领域极具前景的研究方向。最新的研究突破通过采用专门设计的超低损耗集成光子芯片，成功在1550纳米通信波段制备出高质量的GKP量子比特状态，为未来大规模集成化光子量子计算奠定了坚实基础。GKP量子比特的核心在于通过光场的正交幅度（位置，q）和相位（动量，p）两个正交量子态，实现离散的逻辑编码，其对应的波尔态映射为具有周期性结构的一维或二维相空间格点。理想的GKP态在相空间中呈现为正负交替的极小高斯波峰，动量和位置的概率分布具有多峰分布，这环形结构不仅提升了抵御光路损耗及噪音的能力，还使得量子态的保护和纠错成为可能。
早期的GKP态制备多依赖于离散的自由空间光学元件，存在着架设复杂、系统不稳定、扩展性差等问题，阻碍了向实用规模迈进。此次传出的集成光子源研究，突破了这些瓶颈，将多个重要环节集成在一个基于硅氮化物的300毫米晶圆制程芯片上，实现了高效的四通道单模压缩态光子生成和多模光子干涉，借助程序化的线性光学干涉网络与高效的光子数分辨探测器进行复杂的量子态投射和状态制备。关键设备包括设计精密的微环谐振器阵列，用以实现增强的双泵脉冲驱动的自发四波混频（SFWM）过程，生成近乎理想的单模压缩态光子，并通过一系列精密的光学滤波和光路耦合确保背景噪声的最小化和相干性维持。芯片内集成的可编程干涉器采用“阶梯形”排列的可调耦合器阵列，其通过调控路径相位和耦合比率，准确打造出多模纠缠态，使得GKP态的生成进一步获得灵活性和高品质保障。在生成阶段，三个输出光场接入最先进的低温超导过渡边缘传感器（TES）光子数分辨探测器进行多光子态的判据式测量，成功实现对GKP态的先验“预言”式制备，也称为“认证”或“预示”式生成。最高达99%以上的单光子探测效率大幅提升了状态制备的成功率和纯度。
测量所得的第四模式经过均衡体积相干检测，为GKP态的全量子态层析提供了详细的相空间分布信息。实验结果显示，所获得的量子态在动量和位置空间均表现出至少四个分辨清晰的波峰，Wigner函数呈现出清晰的3×3负值格子结构，体现出强烈非高斯特性和内在的容错潜力。此种结构为实现高容错率、远优于传统双轨制单光子编码方案的门操作提供了支持。虽然实际系统仍面临光学损耗限制，团队通过仿真证明，若整体损耗进一步降低至约0.5%以内，未来可以实现对称有效挤压参数超过9.75分贝的高质量GKP态，这一指标已达到理论上实现容错量子计算的临界点。此外，该研究方案所实现的芯片制备流程为大规模量子芯片制造提供了工业化路线，具备高重复性和优异的光学性能，配合灵活编程的干涉网络，井然有序地朝向百万计算单元的集成迈进。相比传统自由空间实验，集成光子芯片优势明显，不仅体积大幅缩减，系统的稳定性显著提升，而且实现了对复杂多模量子态的精确控制和实时调节。
未来，结合多级量子态“炼制”和“交织”技术，可有效提升生成概率与质量，进一步推动更大规模、更复杂的GKP量子比特阵列的发展。GKP量子比特的优势不仅限于量子计算领域，它们同样在长距离量子通信、量子密钥分发及高精度量子传感等方面表现出广阔应用前景。借助该集成光子源技术，可开发全光纤接口的量子器件，具备理想的网络融合性和最高级别的环境适应性。尽管集成光子源的实现标志着光子量子信息处理迈出关键一步，但全光子量子计算仍需解决更多挑战。例如，如何减少光学器件内部和外部散射与吸收损耗，进一步提升探测器的时间分辨率与效率，完善多态量子态的实时滤波及反馈控制机制，都是需要科研者长期攻克的方向。同时，对于GKP量子比特的容错门操作、高效魔法态注入以及多比特纠缠态合成的深层次架构，还亟待设计更完善的软硬件结合方案。
综观当前进展，集成式光子源制备GKP量子比特的实验成果无疑为量子信息科学社区带来了极大鼓舞。此技术的引入将推动光子量子计算架构从实验室小规模展示向工业级实用化快速演进。未来数年，随着相关专题的不断深化与优化，预计将实现新一代量子通信网络及量子计算机，真正发挥GKP量子比特的独特优势，助力信息处理进入全新纪元。总结来说，基于超低损耗硅氮化物多层光子芯片制程配合高效光子数分辨检测器，科研团队创造了多模压缩态的高质量GKP量子比特态。其在动量与位置空间均表现出明显的多峰结构和Wigner函数负值区，表明已具备容错运算的关键特征。该集成技术不仅突破了传统自由空间光学冗长布局的限制，更为实现百万级量子比特数的光子量子计算提供了可行路径。
它对未来量子通信、量子传感等领域同样带来深远影响，推动量子科技产业迈向新高峰。随着制造工艺的不断精进与损耗进一步降低，基于此架构的GKP态产生和操控有望大幅提升，为全光子量子计算的实用化和商业化奠定坚实基础。
