随着量子计算技术的迅速发展，量子比特的物理实现方式成为科研界和产业界的焦点。作为量子信息的基本单元，量子比特的高质量生成和操控直接关系到量子计算机的性能和规模扩展。在众多量子比特编码方案中，Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）编码以其独特的容错能力和操作便利性吸引了广泛关注。近期，科学家们提出并实现了基于集成光子学技术的GKP光学量子比特源，为实现实用的容错光子量子计算机奠定了坚实基础。GKP量子比特是一种基于连续变量光场模式的巧妙编码方案，它利用无限维的希尔伯特空间，将离散的计算基态映射到特定的格点结构上，形成一种对噪声和错误具有天然抵抗能力的编码态。这种编码方式允许通过简单且确定性的高斯操作，如光束分离器、相位调制和均匀检测，完成克利福德（Clifford）门操作，而非克利福德门则通过制备“神奇”态实现，极大地降低了量子计算中的错误率和复杂度。
尽管GKP态的理论价值和实验前景广阔，过去的生成方法主要依赖自由空间的光学元件，体积大且不易扩展，限制了其在大型量子计算体系中的实用性。为此，集成光子学作为一门将光学元件微型化并集成到单芯片上的技术，成为突破该限制的关键路径。最新的研究工作采用了基于多层硅氮化物材料的300毫米晶圆平台，利用高度定制的微环谐振器阵列，成功实现了通量极低的非线性光学过程——受激四波混频（SFWM），生成近单模的强挤压光场。通过集成光学干涉仪的精准编程和多路光子数解析探测（PNR）器件的高效联动，实验实现了光子模式间的纠缠和非高斯光学态的切换，从而在主信道获得了结构清晰、符合GKP约束的量子比特态。该装置在每200千赫的操作速率下进行，使得每一次实验循环中，三个输出通道携带的光子数被多级滤波处理后输入PNR探测器，触发成功就在第四通道留下相应的GKP态，这种触发式的产生策略保证了高纯度和准确的量子比特制备。实验中，特定的光子数触发事件，如(3, 3, 3)的模式，不仅表现出高对称的码字格结构，还满足在p和q两种正交量的概率分布中至少有四个可分辨峰值，显现了足够的非高斯特征和负Wigner函数区块，这对实现容错计算至关重要。
由此产生的光子态与理论预测高度吻合，并且具备经过进一步优化光路损耗后，达到容错门限的潜力。高效光子数解析探测器采用冷却至亚开尔文的过渡边缘传感器（TES）技术，探测效率接近百分之百，确保能够精确地鉴定参与状态制备的光子数，有效提升了态的再现性和统计质量。集成光子芯片和探测器的无缝衔接，为后续大规模光子晶圆平台的扩展及多量子比特阵列的构建奠定了基础。该系统不仅代表了光子学在量子信息处理上的里程碑，也为全面实现基于连续变量和离散变量混合编码的光量子计算开辟了新思路。在应用层面，GKP态的特性使其不仅限于量子计算，同时具备量子通信和量子测量的应用价值，尤其在量子密钥分发和量子传感器中表现出独特的优势。随着光子芯片制造工艺的持续进步，未来有望将数百万个类似单元集成到单一芯片或芯片阵列中，打造容错能力强大的光子集群态资源，用以支持全光量子计算的规模化和网络化发展。
同时，随着多模纠缠态的制备和操控能力不断增强，实现针对复杂量子算法的定制化量子电路成为可能。值得注意的是，为了进一步降低系统的光学损耗，包括芯片波导损耗、耦合损耗以及探测过程中的非理想因素，科研团队积极探索多种技术路径，如高品质因子谐振器设计、低散射边界处理及优化的包装工艺等，这些都有助于推进光子源接近甚至超过99.5%的传输效率，达到理论上容错门槛的要求。未来的挑战还包括开发更通用的编程干涉仪结构，使得GKP态能够根据不同应用灵活调整晶格参数，实现更高效的算法适配。此外，集成多模多路复用技术和迭代态细化过程（breeding protocols）将有效提高光子比特的成品率和态的纯度，推动大规模量子网络的实现。总的来看，集成光子学的发展正在加速实现GKP量子比特的实用化，将光学量子计算从实验室走向产业应用。该技术集成了量子态生成、高精度探测与动态编程控制，构建了一个稳定可靠且可扩展的量子硬件基础，具备对未来量子信息处理生态系统深远影响的潜力。
随着世界范围内量子技术研发投入不断攀升以及产业化布局逐步完善，基于集成光子学的GKP量子比特生成技术预计将在通用量子计算、量子通信中发挥举足轻重的作用，推动信息科技进入全新的智能和安全时代。
