在量子计算领域，光子作为信息载体拥有独特的优势，比如室温操作、易于长距离传输以及天然的多模式并行处理能力。为了实现实用的光子量子计算，关键在于如何有效合成高质量的量子态，这些态不仅能够编码量子比特，还必须具备执行通用量子门的能力。高斯曼-基塔耶夫-普雷斯基（Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP）量子态作为一种特殊的编码方式，因其在容错计算中的出色表现和操作的便利性，成为光子量子计算研究的热点。近年来，研究者利用集成光子芯片成功合成并验证了GKP量子比特的光子源，实现了传统自由空间光学元件难以达到的可扩展性和稳定性。这一成就标志着光子量子计算体系迈向实用化的重要一步。 GKP量子态的核心优势在于它们通过在无限维的光学模式空间中巧妙设计的格子结构，将离散的量子比特信息嵌入到连续变量系统中。
这种编码方式使得仅需简单的线性光学元件如光束分束器、相位调制器及均衡同相检测器，便能实现克利福德门操作，降低了实现门操作的复杂度。此外，GKP编码具有固有的抗高斯噪声能力，包括光学传播过程中的微小损耗，这对于提高量子计算的容错阈值至关重要。然而，制造高品质的GKP量子态一直面临技术障碍，尤其是在现有的自由空间光学系统中，装置庞大且难以长时间稳定运行。 面对这一挑战，研究团队选择了利用基于硅氮化物（SiN）材料的集成光学平台，通过高度优化的制造工艺，制备超低损耗的光波导和微环谐振器阵列。该平台兼顾了非线性光学过程所需的诸多参数，同时确保了芯片的生产一致性和高通量制造能力。实验中，利用双泵浦激光脉冲激发芯片内的四个微环谐振器，借由受控的自发四波混频过程（SFWM）产生单模压缩光态。
这些光态经过精心设计的线性干涉网络进行模式间的纠缠，最终由高效的光子数分辨（PNR）冷却型过渡边缘传感器（TES）探测器实现条件触发，即所谓的触发式制备，成功生成所需的GKP量子比特态。 整套装置通过光纤阵列与芯片无缝连接，实现了散射与耦合损耗的最小化。采用多阶段光子过滤设计有效地抑制了泵浦光的泄漏，确保后续的均衡同相检测过程的准确性。均衡同相检测系统采用量子效率极高的光电二极管，并通过电学和光学手段优化信噪比，确保对生成GKP态的量子态进行高精度的汤姆逊重建。整个系统运行于20万次每秒的重复速率，累计采集了超过百亿次的量子测量数据，为后续的统计分析及态重构提供了充足的样本基础。 实验结果揭示了制备的GKP态在位置（q）和动量（p）两个正交量子变量上的概率分布均展现了至少四个分辨峰位，并且其对应的威格纳函数呈现出明显的负区域格子结构，典型为3×3的负区域排列。
这些特征恰恰是GKP码的重要结构标志，也是实现容错量子运算的关键指标之一。更值得注意的是，通过控制光路的干涉参数和压缩程度，研究人员不仅成功实现了矩形格子结构的GKP量子态，还产生了六边形格子以及猫态等多种非高斯态。该多样性展示了平台的灵活性和复杂非高斯量子态的合成能力，极大拓宽了光子综合量子信息处理的应用空间。 稳定性和效率方面，该系统中用于态制备的TES探测器表现出了近乎100%的光子探测效率，确保了高精度的状态制备和较低的杂散光影响。芯片的整体光路传输效率实现了78%至82%的范围，虽未达到理论上99.5%所要求的容错门槛，但已经证明了未来通过进一步降低芯片损耗与优化封装技术，实现容错级别的对称压缩效能具备可能。动态波导调节和热致相位调节器为光子态的程序化制造提供了强大支持，可通过软件重新配置干涉网络参数，满足不同量子态的合成需求。
此外，研究团队还创新性地提出了利用多模高斯玻色采样（GBS）设备结合多次触发的“炼制”方法，用以提高GKP态的制备概率和质量。该方法通过组合多个低质量的GKP态实现更高质量的态，不仅提升了制备效率，也增强了系统对光学损耗的容忍度。该思路为将来实现百万级独立光子源的大规模系统提供理论基础与工程指导。 针对未来的发展，行业普遍认为，集成光子学平台将成为构建实用光子量子计算机的主流方案。通过进一步减少芯片内吸收和散射损耗，优化光子探测器性能，以及集成更多的光学元件实现多级偏置校正和量子态“育种”，有望实现容错门槛以上的高品质GKP码态。结合量子网络技术，高度稳定且模块化的GKP量子态光子源也将在量子通信和量子传感领域中发挥重要作用，推动全光量子信息处理迈入新时代。
总体而言，集成光子芯片实现GKP量子比特的研究不仅克服了此前自由空间光学系统可扩展性差和稳定性低的瓶颈，更通过先进的超低损耗材料工艺、精准的非线性光学过程控制及高效探测技术，开辟了光子量子计算实用化路径的重要里程碑。这一技术突破带来了广阔的实际应用前景，预示着未来光子量子计算将成为推动科技革新和信息安全的关键力量。随着硬件成熟与算法协同优化，光子学GKP量子比特源必将加速世界走向真正意义上的量子优势时代。
