近年来，量子计算作为下一代信息处理技术的核心，迎来了前所未有的发展热潮。光子量子计算因其天然的低噪声、高速传输及温度友好的特性，被认为是实现大规模量子计算机的重要方案。然而，构建高质量的量子比特源，特别是适用于容错量子计算的Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）量子比特，依然面临众多挑战。最新发表于Nature期刊的一项突破性研究，以集成光子芯片为基础，成功合成并表征了具备容错潜力的GKP量子态，为光子量子计算的可扩展性和实用性奠定了坚实基础。 传统的光子量子计算主要依赖于单光子态和线性光学器件，通过概率性生成单光子来构建量子比特。这种双轨编码虽有广泛应用基础，但受限于非确定性门操作和复杂的多重复用需求，不利于大规模量子计算的实现。
此外，该方案通常依赖低温条件下的单光子探测器，增加了系统的复杂度和成本。相比之下，GKP量子比特作为一种基于光学模式的“波形编码”，利用无限维希尔伯特空间中的离散位移对构建逻辑比特，允许通过确定性的高斯操作实现一整套Clifford门集，大大简化了逻辑门的实现难度，并且具备对高斯误差的天然抵抗能力。 GKP态最早由物理学家Gottesman、Kitaev和Preskill提出，其核心思想是将量子信息编码于相空间中的”晶格”结构光学模式中。理想的GKP态呈现为位置和动量空间中多个离散的峰值排列，且伴随存在负值的Wigner函数区域，体现出深刻的非高斯特性和量子纠缠。通过这种编码方式，光子量子计算不仅能够实现容错量子纠错，还能通过相对简单的线性光学器件完成计算操作，降低系统对物理资源的苛刻需求。 尽管GKP量子比特在理论上优势显著，但其实验制备难度极高。
在光学领域，早期的相关实验多采用自由空间的光学元件和复杂的非线性过程，缺乏集成度和稳定性，难以实现大规模应用。此次研究采用了基于定制多层硅氮化物大规模硅片工艺的集成光子芯片，实现了超低损耗的光学传输和非线性相互作用。芯片内集成了多微环谐振腔，利用受激的受激四波混频（SFWM）过程产生单模式的压缩真空态。之后，这些压缩态通过多端口线性光学干涉器互相缠结，经过高度可控的程序化调节后，在输出端利用高效率、具备光子数分辨功能的过渡边缘传感器（TES）实现态的投射和预报。 实验中，光子源由四模式高斯玻色取样（GBS）设备构成，通过对三个输出端口进行光子计数预报，对剩余的模式实施均衡相干测量，实现了近乎理想GKP量子态的制备。测得的态具有至少四个清晰可分辨的峰值于位置与动量两正交象限，同时Wigner函数显示出3×3的晶格结构与负值区域，极大地表明了该态的非高斯特质与容错潜力。
该实验所用探测器的光子数分辨率达到99.8%的高效率，极大地提升了态的制备质量与采集成功率。 从实验数据来看，即使在目前78%至82%的整体传输效率条件下，已实现的GKP态质量明显优于传统纯高斯态的极限，显示出有效压缩程度达到了0.62 dB的对称性有效挤压，这标志着高质量GKP态的实际生成已触手可及。研究还指出，若能进一步降低芯片相关的光学损耗，在超过99.5%的透射效率情况下，有望实现对称性有效挤压超过9.75 dB的黄金标准，满足公开文献定义的容错阈值，为未来实用规模的光子容错量子计算机铺平道路。 光子集成芯片的制造采用了兼容工业规模半导体生产的成熟工艺，以保证光学损耗的极致控制。芯片内设计的光子分布式扩散结构结合多模式的压缩态产生和灵活的干涉编排，实现复杂的多模式纠缠态合成。通过热光效应调控谐振腔谐振频率与相位，保证态的高稳定性和重复性，增强了量子态制备的可靠性。
器件的光学耦合效率经由精密抛光和多端口光纤阵列封装，最大化实现芯片外部传输效率。 探测部分依托过渡边缘传感器，在极低温（约14毫开尔文）环境中工作，通过持续优化层叠结构和光学耦合方式，达到了业界领先的探测效率和光子数分辨能力。结合高速数据采集与实时噪声处理机制，实验团队成功实现长时间稳定运行，准确识别多光子事件，为GKP态的精确投射提供了坚实保证。 当前研究虽已取得丰硕成果，但光子量子计算的实用化之路仍面临挑战。芯片内光学器件的进一步低损耗目标、探测器体积及操作环境的工程优化、以及大规模多芯片网络的可行性设计，均需关注。值得一提的是，集成光子芯片的制造技术和光子探测的高速发展，为未来构建百万级光子量子比特源的愿景奠定了坚实基础。
此外，理论上提出的“炼制”与“繁殖”操作，将与当前的GBS源结合，为提升整体量子态质量和成功率提供全新思路。 GKP量子比特的广泛应用前景不仅限于量子计算。受益于其高容错性和对高斯误差的抵抗能力，GKP态在量子通信、量子密钥分发乃至量子传感领域均展现极大潜力。通过集成光子技术实现的高质量GKP态将极大扩展这些应用场景的可行性，并推动新一代量子网络和量子设备的发展。 总结来看，集成光子源成功制备GKP量子比特态的实现，是光子量子计算迈向实用化的重要里程碑。该技术结合了先进的芯片设计、超高效率的探测体系及精密的量子态制备方法，不仅验证了GKP态在光学平台上的可行性，也揭示了通过降低损耗及优化架构，未来能够打造大规模、容错和高效的光子量子计算机。
随着研发的持续推进，集成光子GKP比特源有望成为量子信息处理领域的核心基石，引领全球量子技术进入崭新的发展阶段。
