量子计算作为未来科技发展的重要方向，正以前所未有的速度不断前进。在众多量子比特编码方案中，Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特以其在纠错能力和逻辑门实现上的独特优势，成为光子量子计算领域备受瞩目的焦点。近年来，利用集成光子技术实现GKP量子比特光子源的突破，为大规模光子量子计算铺平了道路，本文将详细剖析这一领域的核心进展与未来展望。GKP量子比特的独特价值在于它将经典量子比特编码到无穷维的光学振荡器模式中，从而赋予了得天独厚的容错能力。传统基于单光子或双轨制编码的方案，在试图实现确定性的量子门时常面临非确定性操作和复杂的多模式系统架构，而GKP态允许通过简单的线性光学设备例如分束器、相位调制器及均衡探测器实现较为简洁和高效的逻辑操作。此外，GKP量子比特具备对高斯噪声的内在抵抗力，对于光学损耗和相位漂移等挑战表现出更优异的稳定性，这一优势使其成为打造实用型光子量子计算机的重要基石。
虽然GKP状态最早在理论上提出并得到了离子阱和超导电路平台的实验验证，但这些平台普遍受限于系统规模和光子网络互联能力，难以实现大规模的量子计算任务。相比之下，光子系统具有天然的高速传输和大规模并行处理优势，然而如何高质量、高效率地生成GKP量子态一直是该领域的技术难题。最新研究成果突破了这一瓶颈，通过创新的集成光子芯片实现了GKP量子比特的首次高质量合成。该芯片基于定制的多层硅氮化物材料平台，利用深度优化的微环谐振器阵列实现了四个独立的单模挤压态源。在此基础上，一个可编程的线性干涉网络通过精确调控干涉路径得以实现在多光子探测触发条件下的GKP态生成。这种依赖集成光子线路的架构从根本上克服了传统自由空间光学系统笨重、难以扩展的缺陷。
实验中，研究团队部署了高达99%以上的中心波长检测效率的过渡边缘传感器（TES）作为光子数分辨探测器，高效精准地识别多光子事件，用于触发选定的GKP态输出。该系统整体传输损耗控制在优异的水平，为GKP态的纯度和质量奠定了坚实基础。通过均衡探测器和精密的量子态断层扫描，获得了生成状态的Wigner函数图谱。结果显示，GKP态具有清晰的格状波函数结构，负Wigner函数区域呈3乘3的网格分布，进一步验证了非高斯性和支持容错操作的关键特征。该状态在位置与动量两种正交坐标上表现出同等的四峰可辨结构，满足实现高精度纠错逻辑门的严苛指标。尽管实验仍存在约20%左右的光学损耗，但相关模拟表明，只要整体传输效率提升至99.5%以上，芯片输出的GKP状态可达到超过10dB的有效挤压水平，足以支撑容错量子计算需求。
这一里程碑式成果为集成光子量子计算机的规模化制造提供了技术基础。除了基础状态的成功合成，研究还展示了芯片对不同光子探测模态灵活切换，可以生成猫态及六角格等多样化非高斯态，彰显了系统高度的可重构性和多功能性。在未来应用中，基于该集成光子平台的大规模GKP源阵列有望与多模式光子网络及实用的测量基础量子计算架构结合，实现实用的测量基量子计算机。此外，GKP态的稳健性也为其在量子通信和量子精密传感领域提供独特优势，可作为高灵敏度传感器和量子安全通信协议的核心资源。面向未来，进一步降低芯片内损耗、增强泵浦激光的稳定性以及提升光子探测器的集成度是关键发展方向。先进的多模泵浦方案和反馈控制技术将提升GKP态的生成速率和质量。
同时，结合多级多路复用和相干态培养技术，可以显著提升成功率，为实用量子计算注入更强动力。集成光子技术的工业化制造流程也为广泛应用奠定了基础。总结来看，集成光子源为Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特的生成带来了革命性的突破，使我们距离大规模光子量子计算和容错量子信息处理迈出了坚实的一步。随着芯片制造技术和量子测量器件的不断进步，未来基于GKP编码的光子量子计算机将成为现实，推动量子计算走向实际落地，开启新时代的科技变革。
