随着量子计算技术的飞速发展，如何高效且稳定地生成高质量的量子比特成为实现实用量子计算机的核心挑战之一。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特作为一种基于连续变量光量子态的编码方案，凭借其能够通过简单的高斯操作实现通用量子门操作的特点，被认为是实现容错量子计算的极具潜力的方向之一。近期，科学家们借助于集成光子芯片技术，成功打造出了一种可扩展且高性能的光子源，能够直接生成GKP量子比特状态，为未来大规模容错光子量子计算铺平了道路。光子量子计算因其天然的低热噪声特性和易于网络连接的优势，成为实现分布式量子计算和安全量子通信的重要途径。然而，以往生成非高斯光子态的实验大多依赖于自由空间复杂光学组件，造成系统庞大、耗损高且难以大规模扩展。集成光子技术的出现，通过将多个光学元件集成于同一芯片上，极大提升了系统的稳定性与可扩展性，同时降低了光学损耗和运行成本。
此次突破性的研究基于定制化的多层硅氮化物材料平台，结合超低光损耗的微环谐振器和高效的多光子计数探测器，利用自发四波混频过程产生单模压缩态，再通过线性光学干涉与多路光子数解析探测实现对GKP态的刻画和制备。实验中，研究团队设计了由四个量子压缩光源组成的多模式高斯博松采样装置，并通过特定光子探测模式的筛选与伴随的均衡相干探测，对输出光子态进行了详尽的状态层析。结果显示，所产生的GKP态在位移空间呈现出明确的网格结构和多峰径分布，同时具备丰富的负值威格纳函数区域，这些都是实现容错门操作的关键特性。值得关注的是，在当前系统光损耗约为20%左右的条件下，输出GKP量子比特已经显现出优于纯高斯量子态的非高斯性质。研究模拟表明，若未来芯片封装与光路传输损耗进一步降低至1%以内，便能实现对称有效挤压度大于10分贝的GKP态，这将满足已知的容错门操作阈值，推动实用容错光子量子计算的实现。此外，该研究所采用的封装技术和工艺完全兼容量产制造流程，彰显其在未来量子计算平台中大规模复制与部署的潜力。
高性能单光子数解析探测器采用了冷却至数十毫开尔文的过渡边缘传感器，具备近乎百%的检测效率和单光子分辨能力，有效提升了态制备的成功概率和信噪比。相较于传统使用低温环境且功能有限的探测器，该技术为实用光子量子芯片的集成探测提供了理想解决方案。GKP编码将量子信息嵌入对无穷维谐振子空间的格点结构中，使误差能够被有效捕捉并通过合理的门操作纠正，这种编码不仅提高了抗光学损耗和量子噪声的能力，还简化了量子门的实现。借助本研究所示的集成光子源实现GKP态，配合后续的多态合成与群集态构建，有望构建出高效稳健的光子量子计算架构。光子集成技术近年来的发展也推动了其他量子态制备的进步，如猫态、纠缠态及多模压缩态，这些非经典光态共同构建了未来量子网络和量子通信的基础。GKP态则凭借其独特的格子结构和容错特性，在实现规模化量子计算中扮演着核心角色。
展望未来，结合本研究突破的超低损耗芯片工艺、优化的量子探测和多模式干涉技术，可望推动GKP态生成的成功率和质量进一步提升，并支持大规模多比特光子阵列的构建。伴随着基于集成光子的测量驱动量子计算方案的逐步成熟，量子算法的实际运行时间和容错需求将得到显著改善。总体而言，集成光子平台为实现高质量GKP量子比特的生成提供了一条切实可行的工业化道路，具有重要的科学价值和广泛的应用前景。这一关键技术不仅加快了容错光子量子计算机的研发进程，也鼓励更多跨学科创新，推动量子信息科学迈向实用阶段。随着材料科学、纳米光子制造及低温探测技术的不断进步，未来的集成光子量子芯片将进一步缩小体积、提高效率并增强系统灵活性，为构建下一代量子科技基础设施奠定坚实基础。同时，该技术进步也为远距离量子通信、量子传感及量子密码学等领域提供了强有力的支持。
总之，通过高性能集成光子源制备GKP量子比特代表了光子量子计算的一个重大里程碑，预示着更加成熟且可规模化的量子计算机时代即将来临。
