量子计算作为下一代计算技术，凭借其在解决复杂问题上的巨大潜力，迅速成为全球科技发展的焦点。特别是光子量子计算，由于其天然的长距离传输优势和室温操作可能性，更是备受关注。然而，光子量子计算面临的重大挑战之一是如何实现高质量的量子比特编码与容错运算，在此背景下，Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特成为备受期待的突破点。 GKP量子比特是一种基于光学模式的编码方式，利用连续变量光场的无限维希尔伯特空间，实现对量子信息的高度保护与容错操作。与传统的单光子双轨编码相比，GKP态允许利用线性光学元件如分束器、相移器和同频检波器进行确定性门操作，极大降低了量子门实现的复杂性和对冷却环境的依赖。同时，GKP编码对高斯误差具有天然的抵抗力，使其在实际光学系统中更具鲁棒性。
虽然GKP态在理论上具有众多优势，但在实际光学系统中的实现长期面临技术瓶颈，主要原因是生成高质量非高斯光场的过程复杂且效率低下。传统实验多依赖自由空间光学元件，这不仅限制了系统的稳定性，同时阻碍了向实用规模的扩展。近期，通过采用超低损耗的集成光子芯片平台，结合高效的光子数分辨探测器，研究团队成功突破了这一限制，完成了基于集成光路的GKP量子比特生成。 这些集成光子芯片基于定制的多层硅氮化物工艺，尺寸达300毫米晶圆级，精细设计的光波导和微环谐振器阵列实现了受控的自发四波混频过程，产生了单模高纯度的压缩真空状态。继而，借助可编程的多模式线性干涉器对这些压缩态进行加工，通过选择性光子数分辨探测器对部分输出模式进行探测，实现特定光子数检测事件的预言式触发，成功制备出符合GKP编码要求的近理想非高斯态。 实验中记录了数十亿次触发事件，通过平衡同频检波技术完成了对剩余模式的态断层扫描，揭示了GKP态独特的相空间的晶格结构和丰富的负的Wigner函数区域。
这些特征表明所生成的量子态在位置和动量坐标上均表现出至少四个分辨的峰值，符合Fault-Tolerant量子计算所需的关键指标。在实际损耗约18%情况下，已经获得了数值稳定且非平凡的有效压缩度，且模拟分析显示，若进一步降低系统损耗至1%以内，产出态质量可提升至容错阈值以上，标志着实用光子量子计算机的核心基石逐渐成型。 该方案不仅仅是在生成单一GKP态的成功示范，更重要的是其适应扩展的潜力。通过集成光子技术的可控性和晶圆级制造的高一致性，有望实现成千上万个独立GKP源的阵列布局。此外，器件内置热光相位调控元件，可根据需要灵活调节干涉路径，实现不同格点结构的GKP编码态的制备，其兼容性涵盖从矩形到六角晶格等多种相空间格点模式，极大拓展了量子信息处理的结构自由度。 探测方面，实验中采用了超高效率的过渡边缘传感器技术，其光子数分辨能力接近100%，极大提升了非高斯态预言成功率和信噪比。
探测器工作于低温条件，通过电子封装和光学耦合工艺的持续优化，达成了与集成芯片的高效界面，促进了整个系统的稳定性与重现性。 从技术路线来看，生成GKP态需要高度精确的压缩态产生、线性干涉加工以及光子探测的无缝协同，其中任何一环的需求都极为严格。芯片设计利用光子分子微环结构抑制无关非线性过程，同时保持高逃逸效率和强谐振增强效应，确保量子态制备目标的纯净度和一致性。线性干涉器基于级联的可调耦合器设计，优化损耗和可控性权衡，旨在在有限光路长度内实现复杂多模态干涉。 实验操作采用多激光器系统，提供双泵动脉冲以驱动芯片内四波混频过程，同时配合参考光子和探测光子实现多通道锁相及相位稳定控制。严格的光学时序和模式匹配策略保证了各模块的同步及高质量信号输出。
此外，数据采集频率达到每秒数十万次，涵盖十多亿事件的深度统计，强化了态重构和性能评估的可靠性。 在理论建模与仿真方面，团队基于Gaussian boson sampling框架的四模系统，对理想与现实损耗模型进行了细致分析，调整压缩水平及干涉矩阵参数以优化目标GKP态的形成几率和质量。其结果与实验数据高度吻合，验证了整体设计与实现路径的有效性。 当前研究成果展望着未来量子光子芯片的规模化发展架构，借助多模式Boson采样源配合预言分流器和多阶段育种技术，有望突破单一源的概率限制，实现可扩展的量子资源制备。此外，通过动态参数重配置和测量基变换，有潜力进一步丰富量子态调控的灵活性，为实现通用量子计算机的关键模块奠定基础。 综合来看，集成光子源生成GKP量子比特的实验标志着量子信息领域迈入了融合制造工艺与前沿理论的立体发展阶段，为后续光子量子计算机的建设扫清前路。
相关技术的完善不仅能服务于计算领域，还将在量子通信与量子传感器等方面发挥独特作用，推动整个量子科技生态圈向实用化飞跃。 随着制备损耗的持续降低及探测器技术的升级，结合产业级芯片标准流程，未来几年来自学术和产业界的紧密协作期待催生具备鲁棒容错能力、效率高且易于集成的GKP量子比特集群。最终，这些技术将成为大规模光子量子计算机的核心构建块，加速实现突破传统计算瓶颈的量子优势。 在此背景下，持续投资于定制材料工艺、光学集成设计和先进光探测器研发，将进一步促进光子量子计算技术如今刚刚开启的蓬勃生态，抢占量子计算的未来制高点。用集成光子技术赋能GKP量子比特，正描绘出现代光量子科学中最激动人心的篇章，预示着量子计算实用化迈出了坚实的一步。
