随着量子计算技术的蓬勃发展，如何高效生成并操控稳定的量子比特成为科研领域的重要课题。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特作为一种基于光学模式的编码方案，因其支持通过线性光学元件实现确定性门操作而备受关注。传统的GKP状态制备主要依赖于自由空间复杂光路，难以满足大规模扩展的需求。近年来，基于集成光子芯片的新型光子源技术实现了对GKP量子比特的高效生成，推动了光学量子信息处理的技术进步。 GKP量子比特的核心优势源于其独特的编码方式。它通过在单一光学模式的无限维希尔伯特空间中构造稳定的网格状量子态，使得Clifford门可通过简单的光学器件实现，且容错能力显著优于一般光子编码。
这种编码不仅适合量子计算，也在量子通信和量子传感领域展现出广泛应用前景。然而，要实现GKP状态的高质量产生，需要极高的非高斯态制备技术和光学损耗的严格控制，这一直是瓶颈所在。 最新的研究工作突破了传统自由空间光学系统的限制，开发了基于超低损耗硅氮化物（SiN）集成光子芯片的多模式纠缠光子源。这种芯片利用多层定制工艺制备，集成了多组件包括硅氮化物波导、微环谐振器、多路分配器及滤波器，确保生成的单模式挤压态具备极高纯净度和稳定性。通过受控的四个模式线性光学干涉和基于超高效率过渡边缘传感器的光子数分辨探测，成功实现了多样GKP状态的制备与筛选。 在实验设计中，采用双泵浦脉冲激发简化了多光子挤压态的产生过程。
微环谐振器结构经过精妙设计，利用辅谐振器调节自由光谱范围，有效抑制不期望的非线性过程，最大程度提升所需模式的产生效率。此后，生成的挤压态经过级联干涉器构成的可编程光学网络，完成四模式高维纠缠态的合成。光子数分辨探测器对三个模式进行条件筛选，使得剩余单光学模式成功投影至近似GKP量子比特状态，进而通过均衡干涉测量（同相偏振检测）进行态完整的量子层析重建。 该集成光子平台的优势不仅在于超低光损耗（约0.4至0.5分贝的耦合损耗和数毫分贝的波导传播损耗），同时得益于光子数分辨探测的优越性能，检测效率最高达99.8%。这保证了所制备的GKP量子态在基于位置（q）与动量（p）两种正交象限上的波函数显示出至少四个峰值，形成清晰的负值网格结构，展现出明显的非高斯性质。多样的侦测结果对应不同格子结构的GKP态，如矩形及六角形排列，这为灵活的量子态调控提供了有力工具。
从容错量子计算的角度来看，最为关键的性能指标之一是有效挤压强度和稳定子期望值。当前实验生成的GKP态，在对称有效挤压方面达到约0.6分贝，预计随着系统光学损耗进一步降低至99.5%的水平，未来产出的GKP态可满足10分贝以上的有效挤压标准，这是实现容错门操作的阈值要求。理论模拟同样表明，提升光路整体传输率及多模式干涉器配置的优化，将显著提高量子比特生成概率和质量，为后续的多源级联及聚合提供可能。 该技术还具备极强的集成芯片制造兼容性，基于300毫米工业硅基片的微纳结构工艺支持大规模批量生产，同时芯片的电光调控和相干稳频系统整合提高了操作的稳定性和精确度。与目前主流冷原子和超导平台相比，集成光子的室温操作特性，大幅降低了实验环境要求，同时促进了光子量子比特的长距离传输和网络化扩展。 未来，结合多模式格状量子态生成、马奇态准备与后端聚合技术，将推动构建高效的光学量子聚类态。
多源GKP阵列与动态可编程干涉网络的结合使得复杂容错量子计算架构成为可能。与此同时，改进的误差校正算法和自适应滤波技术也将提升系统的鲁棒性，保障实际环境下的量子信息处理精准度。 总而言之，基于集成光子芯片的GKP量子比特生成为光学量子计算技术带来了革命性的进展。凭借其低损耗、高效率、模块化和可扩展的优势，未来极有望实现大规模容错光子量子计算机的构建。随着相关设计与工艺的逐步成熟，GKP量子比特将在量子通信和量子传感等领域发挥越来越重要的作用，推动量子科技产业化迈入新纪元。科研人员和产业界均对此前景抱以高度期待，光子学与量子信息科学的融合正引领着下一波科技革新浪潮。
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