量子计算作为未来信息处理的重要方向，承载着突破传统计算瓶颈的巨大期望。光子作为携带量子信息的介质，因其环境适应性强、易于远距离传输等优势，成为量子计算和量子通信领域的研究热点。然而，要构建实用的、容错的光子量子计算机，核心问题之一在于如何高效且可靠地生成可用于编码量子信息的光量子态。Gottesman–Kitaev–Preskill（GKP）量子比特正是突破这一瓶颈的关键：“将量子比特编码于无穷维的光学模式中，利用其独特的格状结构，实现对误差的天然抵抗和方便的逻辑门操作。” 传统的非高斯光量子态生成多依赖自由空间光学器件，受制于体积庞大、稳定性差和不可规模化等问题，严重制约了光子量子计算的扩展性。而近年来，集成光子技术的迅猛发展为GKP量子比特的生成提供了全新路径。
通过在硅氮化合物多层硅片平台上制造超低损耗的光子集成芯片，不仅极大提升了光学模式的稳定性和一致性，更实现了非线性光学过程的高度集成和精密可控，从而满足了GKP态高质量制备的严格需求。 最新研究成果报道了利用集成光子芯片结合多模式压缩光态产生和光路线性干涉，配合高效的光子数分辨探测技术，成功合成了带有清晰负值威格纳函数区域的GKP量子比特。这些量子态在位置与动量两组正交变量上均显示出至少四个可分辨峰值，呈现出3×3网格的格子结构，为实现容错量子计算奠定了坚实基础。相比先前基于离散组件和冷却环境的实现方式，集成光子方案具备功耗低、易集成、适配室温操作的显著优势。 高纯度单模压缩光源的产生依赖于高度优化的光子分子微环谐振器设计，能有效抑制多余的非线性过程，保证产生理想的双泵自发四波混频（SFWM）态。芯片上的非线性压缩源通过精密的光路分配实现四通道同步激励，并在灵活可编程的线性光学干涉器中产生多模纠缠态。
随后，经由高度灵敏且校准精确的跃迁边缘传感器（Transition Edge Sensor, TES）对三个输出模式进行光子数识别，完成对GKP量子比特的掺杂式筛选与制备。剩余的模式则由平衡齐纳检测器负责态层析，验证态的量子特性。 这种四模式高斯玻色子采样（GBS）装置在每次激励循环中均能根据信号的光子数检测结果实现高保真率的GKP态制备。其成功率虽为十的负四次幂级别，现阶段实验成功率约为每秒三十次，在保持低光损的前提下，可通过多路复用和改进光路设计获得显著提升。关键信息显示该方案已具备造就大规模、多来源GKP态阵列的潜力，为未来构建超百万个量子比特的光子量子计算机提供了可行且可生产的核心部件。 有效的GKP量子比特不单代表一种量子存储的编码方式，更因其特有的对称性质，使得Clifford门操作能够仅借助干涉器、相移器与齐纳探测等线性且确定性元件实现，极大简化了量子逻辑门的构建复杂度。
非Clifford门则通过魔法态注入进一步实现，这种结构让量子容错架构更贴近现实硬件的可达性能。此外，因其固有的格点结构对高斯噪声有先天抵抗力，GKP量子比特同样适用于远距离量子通信和高灵敏度量子传感等多样化应用，扩展了其影响力。 集成光子芯片制造过程中的关键在于材料选择与工艺优化。采用与半导体产业保持高度一致的300毫米硅晶圆平台，不仅能保障光波导的超低传播损耗，还能实现高度自动化的工艺控制和批量生产。芯片中的光路设计融合了非对称Mach–Zehnder干涉器和级联阶梯式可调耦合器，确保了对光模式干涉与态制备的精准控制。各段谐振器品质因数高达百万级，逃逸效率亦达到97%以上，显示出强大的信号放大和噪声抑制能力。
诸如此类细节的极致打磨，为非高斯态光子数筛选环节提供了坚实支撑。 对于光子数分辨检测，采用冷却至毫开尔文级的TES，从技术上实现了高达99.8%的探测效率和精确的多光子计数能力。其信号电路设计优化带来了极低的电子噪声，保证了检测的可信度和重复性。触发事件的严格筛选与噪点剔除策略相结合，有效提升了实验中制备态的纯度和稳定性。此外，在探测路径还配备了高通量滤波器和波分复用器，进一步减少泵浦废光的干扰，保证了测量的准确性。 态层析方面，基于多相位采样配合最大似然估计方法，结合多达数百万次的齐纳测量数据，重构出了完全包含损耗效应的密度矩阵。
实验结果清晰展示了GKP态特有的分布格子与负区域威格纳函数，不仅实现了对多峰概率分布的量化，也有效测得了对应的稳定子期望值和有效压缩量。此类评估指标冠以量子误差校正社区的标准，为判定态质量及其是否迈入容错门槛提供了客观依据。 展望未来，进一步降低芯片及探测路径中的光学损耗，提升GKP态生成的对称有效压缩度至接近10 dB，将使该技术支撑的光子量子计算真正迈入实用容错化阶段。结合多模式GBS设备、态重整和叠代“繁衍”步骤，将极大提高生成成功率和态质量的可调控性，实现多态协议的规模化运作。业界也在积极探索深度集成芯片与电子控制系统的联合方案，降低系统体积和功耗，向室温及现场部署场景迈进。 集成光子GKP源不仅革新了量子态制备的思路，也为光量子计算架构提供了关键构件。
它将光子的无损高保真传输特性与量子纠错能力巧妙结合，推动量子信息从实验室到实际应用的转化。科研人员、企业以及制造业巨头共同参与，正通过跨学科合作与产学研结合，推动这项前沿技术稳步走向产业化，激发新一轮的量子科技革命。正因如此，GKP量子比特的集成光子源正成为全球量子信息科学领域的标志性突破，引领未来计算机的发展方向，塑造更加智能、可靠和强大的信息时代。
