随着量子计算技术的迅猛发展，构建一个实用且稳定的量子计算机成为科学家们孜孜以求的目标。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特作为一种基于连续变量的编码方案，凭借其天然的容错能力和对环境噪声的抵抗力，成为光子量子计算中最具潜力的量子信息载体之一。然而，如何高效地生成高质量的GKP态，尤其是在集成光子平台上，实现大规模、可扩展的光子量子比特源，是关键技术瓶颈。近期，通过基于定制多层硅氮化物（SiN）300毫米晶圆加工工艺的集成光子芯片，研究团队成功构建了具有超低光学损耗的光子平台，结合高效的光子数分辨探测器，实现了GKP量子比特的光子态制备。这种集成方案标志着从传统的自由空间光学装置向实用级光子集成芯片的关键性飞跃，预示着未来光子量子计算机的可扩展路径。 集成光子芯片采用共振增强的自发四波混频技术，有效产生近单模的单态压缩光。
通过四路压缩光的线性光学干涉和基于过渡边缘传感器的光子数分辨检测，实现了对GKP态的领先级制备方式。芯片内置了多级非对称马赫-曾德干涉仪用于滤波和稳定，同时集成了可调节的热光学相位调节器，为态的合成提供了极强的控制灵活度。整个系统工作在1550纳米波段，兼具与光纤通信兼容的优势，为量子通信和量子网络奠定基础。 实验中，借助200千赫兹的重复率，对数百亿次测量数据进行分类和重建，成功实现了多峰态分布和明显的威格纳函数负区域映射，充分展现了GKP态的拓扑结构和非高斯特性。这些特征是实现容错量子计算至关重要的指标，表明所制备的GKP量子态具备抗噪声能力和完整的逻辑态编码能力。此外，研究进一步指出，随着整体光学损耗降低至1%以下，该平台有望制备出满足容错阈值的GKP量子比特，推动实际量子计算机的落地。
光子量子计算一直面临的挑战之一是如何高效生成非经典态。传统基于自由空间元件的光学系统虽然灵活，却因体积庞大且受环境扰动影响难以扩展。集成光子技术则通过微纳尺度的芯片将复杂光学元件高度集成，显著降低光损耗，提升系统稳定性，有效增强多模式量子态制备和测量的一致性。此次硅氮化物平台体现了低损耗与非线性效应兼顾的工艺优势，成为实现光子GKP态合成的重要里程碑。同时，搭载高效灵敏的过渡边缘传感器，具备优异的光子数分辨能力，使得量子态的刻画和纠缠实现更加精准。 进一步讲，GKP态利用了无穷维希尔伯特空间的结构特性，在光子模式的相空间中以格点结构表现，能够通过简单的高斯运算实现Clifford门的确定性操作，非Clifford门则通过魔态态制备完成，这极大降低了量子门操作的复杂性和对环境条件的苛刻要求。
该编码不仅适用于量子计算，也对量子通信与量子传感等领域具有深远影响。在量子通信中，GKP态对误码的天然抵抗能力有利于实现更长距离的量子密钥分发，而在量子传感中，其高保真度态有望提升测量灵敏度和准确度。 本次研究还表明，通过多种光子数探测结果，能够实现生成多样的非高斯态，包括类似薛定谔猫态和不同格点结构的GKP态，为多功能量子资源态的制备提供了新思路。通过后续的多模式缠结态合成和量子态精炼技术，可进一步提升量子态的纯度和利用效率，为构建大型容错集群态奠定基础。此外，此项技术方案强调了与现有光通信基础设施的兼容性，增强光子量子计算向实际应用转化的可行性。 尽管当前系统已在整体传输效率方面取得了显著进步，但实现超过99.5%的端到端传输效率仍是未来的关键。
通过持续优化芯片制备工艺、集成多级滤波器以及减小光子损耗，结合多模态量子态的时空复用、多通道多路复用技术，将有效提升量子比特生成率和整体系统的鲁棒性。引入自适应量子态繁殖、量子态交织和基于测量的反馈操作，将进一步增强量子计算网络的自纠错和容错能力。 综上所述，基于定制硅氮化物平台的集成光子源为制备高质GKP量子比特打开了新的大门，为实现实用级光子量子计算机提供了坚实的基础。未来随着制备工艺的精进，探测技术的提升及系统级多组件的协同优化，光子量子计算的广泛应用包括密码学、新材料模拟、优化问题求解等领域，将迎来质的飞跃。技术突破不仅加快了量子计算商业化和网络化进程，也促进了量子信息科学整体生态的发展。保持对该领域的持续关注，深刻理解其核心技术和系统架构，是推动中国乃至全球量子科技创新前沿发展的关键。
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