光子量子计算因其天然的高速传输和较低的环境干扰而备受关注，而如何有效生成和操控高质量的量子比特则是该领域亟待解决的技术瓶颈。作为量子信息编码的重要方案之一，Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特为光子量子计算带来了革命性的思路。GKP编码利用连续变量光学模式的无限维希尔伯特空间，通过设计具有格点结构和负Wigner函数的非高斯态，实现了高效且容错的量子逻辑操作。近年来，随着集成光子学制造工艺的飞速发展，科研团队成功突破了利用定制硅氮化物基多层片开发超低损耗集成光子芯片的难关，实现了GKP态的集成光子源制备，这是推动实用光子量子计算迈向规模化的重要里程碑。传统的光子量子态制备多依赖自由空间光学元件，体积庞大且难以扩展，难以满足未来大规模量子计算机对量子比特数量和稳定性的严格需求。集成光子技术通过微纳尺度的光波导和环形微腔，将复杂的非线性光学过程浓缩在芯片上，既大幅降低了光学损耗，也极大提高了结构的稳定性与一致性。
在这项最新的工作中，科研人员采用了双泵浦共振增强的四波混频技术，结合四模高斯玻色取样装置，通过精密调控干涉器件参数以及高级光子数分辨探测器，实现了多模紧密纠缠的高纯度GKP量子态的制备。关键设备包括采用光子分子结构优化的微环谐振腔，可有效抑制非期望的寄生非线性效应，确保所生成的光场具有高度的单模性与较大压缩度。实验过程中，泵浦光束经过定制的马赫-曾德干涉仪滤波，并分配至四个独立的光子挤压器模块，产生强压缩的真空态。随后，这些挤压态被线性光学干涉网络精确调制，产生多模式纠缠态。使用超高效率的过渡边缘传感器对三个输出模式进行光子数分辨探测，实现对目标GKP态的概率触发。最后，经由平衡均衡检测系统对第四模式进行全面的量子态层析，重构其密度矩阵与Wigner函数分布，验证态的关键性质。
所得的GKP量子态在相位空间呈现出至少四个可分辨的峰值，且Wigner函数展现了明显的负值区域排列格点，证实其非高斯性和编码结构的完整性。实验所用的硅氮化物光子芯片采用了300毫米晶圆工艺，具备行业领先的光学传输效率和极低的传播损耗，使得生成的量子态接近理论理想状态。探测器则达到了近乎百分之百的探测效率，确保了光子数标记的准确性和状态制备的可靠性。这项技术突破不仅展示了GKP量子比特的集成光子源的可行性，更为未来将数以百万计这样的源整合进同一芯片平台奠定了物理基础。相较于其他物理系统如离子阱和超导电路，光子平台天生适合网络化和长距离传输，集成技术的成熟将极大促进光子量子计算的规模扩展。GKP量子编码允许克利福德门的确定性实施，极大简化了光学量子门操作流程，不再依赖复杂的非线性单光子操控，为构建容错量子计算架构提供了坚实支撑。
此外，GKP态对高斯噪声及小量光学损耗表现出显著的鲁棒性，有望提升量子信息处理的实际稳定性与可靠性。尽管目前的系统仍存在一些瓶颈，比如全路径光学传输效率不足1%，限制了实现容错门限的可达性，但通过继续优化芯片设计、改进集成光子器件损耗以及提升源的多模兼容性，未来有望突破该障碍。多模式玻色采样装置的灵活性使得同一硬件平台能生成不同格点结构的GKP态，如矩形和六角形格点，提升了应用的多样性和调控自由度。另外，结合多模输出的扩展及后续的多阶段熔炼和增益操作，整体系统有潜力实现更高成功率与质量的GKP态制备。实验所采用的高度优化整合电光包封方案确保了芯片在稳定环境中长期运行的可行性，有效减少了相位噪声与环境扰动，为光子量子态的精准操控创造了良好条件。前瞻性来看，随着硅基光子制造工艺的不断成熟，集成光子源能够实现与其他量子系统如量子存储、量子中继以及量子网络节点的无缝接口，构筑起真正意义上的分布式量子计算平台。
此外，GKP编码也为实现量子通信中的长距离量子密钥分发和量子传感任务提供了基础，具备广泛的应用前景。总之，集成光子技术与GKP量子比特的结合，不仅为光子量子计算的实用化铺平了道路，也标志着量子信息科学迈入了一个崭新的发展阶段。未来的研究将重点聚焦于芯片损耗的极限降低、多模态复杂态的动态生成以及更高性能光子探测器的开发，力求全面提升光子量子态操控的精度和效率。随着这些技术瓶颈的逐步攻克，集成光子源的GKP量子比特将成为构建高性能容错量子计算机不可或缺的核心部件，引领量子计算迈向广泛应用的新时代。
