随着量子计算的迅猛发展，寻找高效、可扩展的量子比特编码方式成为科学界的核心任务。其中，Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特以其独特的优势受到广泛关注。GKP状态能够将量子信息编码在连续变量的相位空间中，利用无限维希尔伯特空间的丰富结构实现强大的错误校正能力和容错特性。传统的GKP量子比特生成通常依赖于自由空间中的光学元件，这不仅增加了系统复杂性，也严重限制了系统的可扩展性。近期，一项突破性的研究提出了基于集成光子学芯片的GKP量子比特生成方案，极大地推动了光学量子计算走向实用化的进程。该方法采用在定制多层硅氮化物300毫米晶圆平台上制造的超低损耗集成光子芯片，通过光纤与高效率的光子数分辨探测器完美耦合，实现了高质量GKP状态的合成。
通过对量子态的精密调控与表征，研究团队成功观察到包括位置（q）和动量（p）两条正交量子态分布中至少四个可分辨峰值的清晰格点结构，呈现出典型的3×3负Wigner函数的格局，显示了关键的非高斯特性及量子优势。高纯度和高质量的GKP状态对未来的容错量子计算至关重要。借助该集成方案，GKP量子比特不仅实现了累积性量子门的确定性操作，还具备在常温环境下兼容高效的高斯门操作的潜力，避免了对复杂低温探测器的依赖，从而降低了系统构建的门槛。芯片设计包含了四个单模挤压态的生成单元，通过可编程的线性光学干涉仪实现多模量子态的纠缠。挤压态利用四波混频效应（Spontaneous Four Wave Mixing）在谐振增强的微环谐振器阵列中生成，并通过一系列集成的Mach–Zehnder干涉仪滤波器去除多余泵浦光及噪声光子。经过精心调节干涉仪参数以及结合三路光子数分辨探测器（PNR）的结果筛选，该系统能够“引导”出理想的GKP量子比特状态。
光子数分辨探测器采用了超高效率的过渡边缘传感器（Transition Edge Sensors），在极低温环境中以近九十九点九个百分点的效率检测光子数目，为量子态的制备及表征提供了坚实保障。该系统以每秒两万次的速率稳定工作，凭借庞大的实验数据积累和高精度的同频检测，最终实现了对量子态密度矩阵的重构，清晰展示了GKP量子比特的核心特征。当前所产生的近似GKP状态虽然因光学路径损耗等因素未达到理论极限，但展示的有效挤压度和稳定的格点结构已接近容错标准。实验数据显示，当整体传输效率提升至九十九点五个百分点以上时，系统理论上能够突破近似10dB的有效挤压阈值，具备实现实际容错量子计算的能力。该研究强调降低系统光学损耗是提升量子态纯度和稳定性的关键。基于高成熟度的硅氮化物工艺，该集成光子平台在器件级的低损耗设计和批量制造上已具备明显优势，未来结合先进的光子复用和量子态“养成”技术（如状态精炼及迭代增强），有望实现数百万级别的高品质GKP量子比特源阵列，满足实用量子计算机对大规模量子比特的需求。
GKP编码的显著优势还体现在其对高斯型噪声与误差的天然鲁棒性，有助于简化后续量子纠错的复杂度。不同于传统光学量子计算依赖于单光子态和复杂的非确定性门操作，GKP态支持通过线性光学元件与测量实现确定性Clifford门的操作，极大地提高了计算的效率与稳定性。该技术平台的广泛应用不仅限于量子计算，在量子通讯和量子传感领域同样拥有广阔的发展空间。以其量子态精细的格点排列和Wigner函数负值区域的丰富结构，GKP量子比特为高保真量子信息传输与处理提供了坚实基础。总结来看，集成光子学源的GKP量子比特生成标志着多模号量子光学研究迈入了一个新的阶段，为实现容错、可扩展且商业化的光子量子计算机奠定了坚实的基础。未来，随着芯片制备工艺的进一步提升和探测器性能的革新，这一技术将引导量子信息科学走向实际应用之路。
科研界和工业界的密切合作，将加速集成光子学在量子计算领域的突破，助力全球迈向量子科技新时代。
