随着量子计算的不断发展，寻找高效且可扩展的量子比特编码方式成为科研人员关注的焦点。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特凭借其优越的容错能力和实现方式，逐渐成为光子量子计算领域的热门研究方向。近期，科研团队利用集成光子芯片成功合成了GKP光量子比特，这一突破标志着通向实用光子量子计算机的重要一步。 GKP量子比特的核心优势在于其利用光子的无限维希尔伯特空间，通过在相位空间构造特定的格点态，实现对量子信息的稳健编码。这种编码不仅使得量子门操作可以采用确定性的高斯操作完成，还具备抵抗高斯误差的能力，如光学损耗导致的噪声。相比传统单光子双轨编码，GKP能够简化量子门的实现，并减少对复杂非线性和低温设备的依赖，极大提高了光子量子计算的实用性。
然而，生成高质量的GKP态一直面临技术挑战。以往通过自由空间光学系统合成GKP态，由于涉及大量光路元件，系统体积庞大且光损耗严重，难以实现规模化。为此，集成光子技术应运而生。依托于成熟的硅氮化物（SiN）制程，科研团队研发出基于300毫米晶圆制造的多层集成光子芯片，结合超低损耗波导和可调节的干涉器设计，实现多模单光子压缩态的集成生成与干涉。 实验中，使用双泵激励的符号四波混频（SFWM）效应在芯片中的高品质微环谐振腔内产生压缩真空态。通过精密设计的光子分配网络，将四个单模式压缩光子态进行线性干涉，形成多模纠缠态。
其后，利用三路高效的光子数分辨（PNR）探测器对其中三模进行探测，特定的检测结果会“预告”剩余模式的GKP量子比特形成，实现了状态的遥制备与甄别。这种利用线性光学控制和基于探测结果的条件制备技术，极大提高了制备效率和态的纯净度。 这些探测器被设计为过渡边缘传感器（TES），工作于极低温环境，具备近乎百分之百的量子效率和出色的光子数分辨能力，确保高保真度状态制备。整个系统还配备稳定的激光锁定机制和精密的滤波结构，有效抑制泵光泄漏和杂散噪声，保证态的可靠检测和量子态断层扫描的准确性。 科研团队通过大量重复测量采集了数百亿次探测数据，经过筛选和最大似然估计重建出的GKP态展现出多峰结构的相位空间概率分布和明显的韦格纳函数负值区域，反映出强烈的非高斯特性和精细的格点结构。尤其是在相位和动量两个四分量上均至少呈现四个分辨峰，充分体现了实现容错阈值所需的关键结构特征。
此次实验所达成的对称有效挤压度虽尚未达到完全容错的临界值，但通过减少光路和芯片上的总损耗，理论模拟显示设备有望实现超过10分贝的有效挤压，这一水平被认为是光子容错量子计算的关键门槛。 此外，实验还展示了不同光子数的探测结果对应生成多种非高斯态，包括猫态和其他类型的GKP态。此多样性表明该集成光子平台具备较强的灵活性和可拓展性，能够通过调整干涉器参数和重配置检测模式，合成不同的量子态，为构建复杂量子集群态和实施多比特量子算法打下基础。 相比传统自由空间实验，该集成光子方案确保了更低的光损耗、更稳定的相位控制和更加紧凑的系统结构。同时，结合高效光纤耦合和高度集成的电子控制，在将来通过织物式光子芯片阵列和多路复用技术，生成数百万独立GKP量子比特成为可能，显著提升量子计算规模化进程。 该研究不仅验证了集成光子技术合成GKP态的可行性，还为光子量子计算的产业化奠定了技术基础。
通过进一步优化微环谐振腔设计，实现更高单模挤压强度以及研发新型低损耗调制器件，未来有望实现更大超越容错阈值的量子比特质量。此外，结合后续的态炼制与交织协议技术，可以进一步提升成功概率和态纯度，缓解当前状态生成过程中的概率限制。 这项集成光子GKP量子比特源的突破也对量子通信和量子传感领域有积极推动意义。GKP编码的稳健性使其适合光纤量子密钥分发等长距离通信场景，同时复杂的非高斯态结构也为量子传感提供了新的灵敏度提升路径。 总的来说，基于集成光子芯片的GKP量子比特生成技术，凭借其小型化、高效率、可控性强和潜在的规模化制造优势，为追求实用量子计算机的科研人员和工程师带来了巨大的鼓舞。随着相关材料工艺、光子探测技术和量子算法设计的不断协同发展，光子量子计算机的实用化展望逐渐明朗。
未来，这一方向有望成为推动量子技术产业革新的重要引擎之一。
