量子计算作为颠覆性科技，被认为有改变信息处理、密码学、材料科学等众多领域的潜力。而在众多量子计算架构中，光子量子计算因其在信息传输和网络连接上的优势，备受关注。然而，要开启光子量子计算实用化的大门，关键在于如何稳定、高效地生成和控制高质量量子比特，其中Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特因其卓越的容错性能成为研究热点。最近，科研团队在Nature杂志上发表突破性成果，成功利用定制的多层硅氮化物300毫米晶圆平台制造超低损耗的集成光子芯片，实现了高质量GKP量子比特的光学生成，这项成就标志着光子量子计算向大规模实用迈出坚实一步。首先，GKP量子比特是一种基于光场无限维希尔伯特空间的编码方案。传统的光子量子比特通常采用单光子轨道编码或双轨编码，面临非确定性门操作及设备冷却需求等限制。
相比之下，GKP编码利用准周期性的格点态，将量子信息嵌入于连续自由度中，允许通过线性光学元件和同相检测实施确定性的Clifford门操作，且具天然的抗高斯误差能力，大大提升了量子计算的容错性能。这使得GKP量子比特成为构建容错量子计算机的重要基石。然而迄今为止，生成适合容错需求的高质量GKP光学态最主要的瓶颈在于依赖自由空间光学元件，导致系统体积庞大、稳定性差且不易扩展。该项研究利用集成光子技术，充分发挥硅氮化物材质超低光学损耗的优势，结合精密的微环谐振器阵列、高效的光子数分辨探测器以及可编程的线性光学干涉仪，首次实现四模高斯玻色子采样（GBS）设备在芯片上的集成。通过巧妙设计的双泵自发四波混频（SFWM）过程，结合光子数分辨探测器的波段选择性探测，成功制备出具有3×3格点负维格函数特征的GKP量子态，且在位置和动量正交量子态中至少展现出四个明显可分辨峰值，为实现容错操作奠定了基础。实验中重点实现了不依赖低温环境即可操作的组件，降低了系统复杂度及成本。
采用了高达近99.9%检测效率的过渡边缘传感器（TES）探测器，实现多光子数精确探测，极大提升了铃声生成成功概率和状态纯度。芯片设计沿袭了“阶梯”式可调耦合器网络结构，虽然非通用，但足以满足生成高质量GKP态的最简需求，从而减少光学损失。通过调节四个微环谐振器泵光强度及相位，优化GBS设备，能够遗传出不同格点结构的非高斯态，这些态同时也为之后的放大和纯化阶段提供丰富资源。该研究还对生成的GKP态进行了细致的量子态断层扫描，结合最大似然估计方法，对生成态的密度矩阵进行重构，确认产生的GKP态在两个互补的测量正交基上均具备良好分辨峰值，且格点结构表现出高度的非高斯性质。更重要的是，实验结果已经超过了“纯高斯态”理论所能达到的稳定子期望值，充分展示了该源的非平凡量子特性。现有系统总光学通量在78%至82%区间，研究显示若进一步提升至99.5%以上，将能满足约十dB的等效挤压需求，破除容错门限，为未来大规模集成光子GKP源阵列的实现指明方向。
装备现代半导体制造技术，基于300毫米晶圆工艺的光子集成平台，不仅保证了优异的器件可重复性和良率，更支持百万级光子源的规模化制造，契合未来多模、多芯片量子系统构建需求。此外，该芯片通过光纤阵列接口与外部系统高效互联，实现模块化布局及快速部署。展望未来，借助该技术平台，研究人员计划集成更多模态的GBS源，结合量子状态放大、杂质态加工以及量子错误校正技术，真正实现适用于复杂量子算法的容错集群态合成。该成果不仅对理论基础上的量子错误编码验证提供了实验支持，也极大推动了光子量子计算在实际量子优势、量子网络乃至量子通信中的应用迈向现实。总的来说，集成光子源首次成功制备高质量GKP量子比特，既是光子量子计算领域的一大技术突破，也为容错量子计算机提供了可制造、可扩展的关键元件。未来随着相关技术的成熟，集成光子芯片有望成为新一代量子信息处理的中坚力量，加速人类进入量子计算新时代。
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