量子计算作为推动下一代信息技术革命的关键力量，近年来快速发展，而其中量子比特（qubit）的高效生成和控制是实现实用量子计算的核心挑战之一。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特以其独特的编码方法和对误差的良好抵抗能力，成为光学量子计算领域备受瞩目的研究热点。随着集成光子学技术的突破，基于集成光子芯片的GKP量子比特光学源应运而生，为构建容错、高可扩展性的光子量子计算平台奠定了坚实基础。传统的光学量子比特生成往往依赖于自由空间的光学元件，这不但限制了系统的整体稳定性和可扩展性，也难以满足大规模制造的需求。相比之下，利用定制的低损耗硅氮化物（SiN）多层晶圆平台制备的集成光子芯片，可以实现超低光学损耗的多模态量子态合成，同时方便与光纤和高效光子数分辨（PNR）探测器的耦合，从而大幅提升量子比特的生成性能和稳定性。在这一创新体系中，关键技术包括在芯片上实现四路单模挤压态光的产生，这些挤压态经过线性光学干涉形成多模纠缠态，最后通过三路PNR探测器进行探测和筛选，实现高品质GKP量子比特的“预言式”生成。
采用基于光子转变边缘传感器（transition edge sensor, TES）的高效率PNR探测器，不仅具备接近百分之百的探测效率，还能实现对不同光子数的分辨，大幅提升了量子态制备的精度和成功率。实验结果表明，所制备的GKP量子比特展现出关键的量子纠缠结构特征，包括在基于正交位置（q）与动量（p）的相空间方向上可分辨的多峰分布，这些峰的数量和分布决定了量子比特的容错性能。此外，量子态的Wigner函数呈现出多负区结构，这是实现通用量子计算不可或缺的非高斯特性。这类集成化光学平台的突破，为实现室温下可扩展的光子量子计算机提供了全新的技术路线，尤其优势明显地避免了冷却系统的复杂性，促进了量子信息处理的工程化与实际应用。GKP量子比特编码利用调制和相空间的格点结构，将离散量子比特嵌入无限维的谐振子空间，带来了量子门操作的确定性和高效性。相较于传统基于单光子或双轨编码的方案，GKP编码通过简化门控实现和提升抗噪声性能，极大地减少了对复杂操作的依赖。
同时，这种编码同样适用于量子通信和量子传感领域，展现出广泛的技术应用潜力。实现高质量GKP量子比特的最大技术瓶颈一直是如何快速、稳定地制备对应的非经典光学状态。该实验利用硅氮化物基光子分子微环谐振器激发的自发四波混频过程生成压缩真空态，再经过精密光路网络实现四模式关联纠缠，配合精准的PNR探测和后端的平衡本振态层析测量，收集并重构出高保真度的GKP态样本，彰显了集成光子平台的强大灵活性和性能优势。芯片的制作工艺兼顾了高品质因子谐振器设计、无寄生非线性效应抑制、超低光学损耗和精准的热光调谐机制，为量子态合成提供了完美条件。实验操作采用多激光器系统精确控制泵浦、参考和本振光场，通过深度相位调制产生频率梳，实现多激光锁相稳定，确保量子态制备的相干性与重现性。光子探测采用新一代TES技术，在极低温下实现高效率、宽面积探测，大幅降低探测噪声和误差。
相对传统单光子计数器，TES能够提供光子数分辨功能，极大优化了状态预言条件，提升了生成GKP态的概率和品质。数据采集频率达到20万次/秒，累积数十亿次试验记录，经过筛选得到稳定性的高质量GKP态信号。重构的量子态显示出稳定的矩阵元分布，验证了理论预测的格点结构与负区域，进一步支持该方案可扩展至多路阵列集成，满足更高阶复杂量子计算需求。对于实际应用而言，减少芯片及探测路径的光学损耗是提升GKP态性能及成功率的关键。当前实验的整体传输效率介于78%至82%之间，若能突破99.5%的损耗壁垒，理论表明多种高光子数探测模式下均可生成对容错量子计算充分理想的GKP态。未来实验计划将针对低损耗工艺优化和多路复用技术展开，通过结合后端量子状态精炼与繁殖策略，有望实现高达10dB以上的有效压缩度，满足实际容错门限需求。
除了制备技术，GKP编码所支持的门操作集同样引人关注。利用线性光学元件如分束器、相位调节器和同频异相干探测，全套Clifford门操作得以确定性执行。非Clifford门则通过准备“魔态”或利用辅助资源获得，极大简化了多比特纠缠态处理的复杂度。此外，GKP态独特的容错机制对高斯误差尤为鲁棒，为光子量子计算系统提供了现实可行的误差管理策略。在产业前景层面，集成光子平台兼具高产出、低成本和系统稳定三大优势，正逐渐成为量子计算硬件开发的主流趋势。符合CMOS兼容工艺的硅氮化物芯片生产，不仅推动器件一致性和批量化生产能力，也促进了与电子控制电路和冷却系统的集成。
不仅如此，具有超高灵敏度的TES探测器的持续改进，使得光子数分辨能力在维护量子态质量的前提下实现商业化应用。随着这一系统的成熟和优化，未来可预见数百万级量子比特的光子阵列将成为可能，完成兼容复杂量子算法和大规模误差校正的计算目标。光子作为信息传输的载体，天然具备易于远距离传输和联网的优势，结合GKP编码的内在容错能力，使得该技术在量子互联网、分布式量子计算以及量子传感领域同样拥有广泛应用前景。综上所述，集成光子学驱动的GKP量子比特光学源代表着量子计算硬件的一次关键飞跃。利用低损耗硅氮化物平台、多模式高纯度挤压态产生、精准线性光学网络和高效PNR探测协同实现，成功实现了高保真度GKP态的实验合成。这种技术路径不仅解决了传统自由空间方案的扩展困难，也为量子计算实现室温高性能运行奠定了基础。
随着芯片制造工艺不断升级，损耗持续降低及后端状态优化技术的引入，未来具有百万量子比特规模的光子量子计算机指日可待，将为人工智能、大数据处理、密码学和材料科学等领域带来深远影响。
