随着量子计算领域的迅速发展，实现高质量、可扩展的量子比特已成为科学家和工程师的首要任务。在众多量子比特编码方案中，Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特因其兼具高容错能力与便捷操作特性，展现出极大的潜力。最近，集成光子源成为实现光学域GKP量子比特的关键技术，标志着光子量子计算迈入了新的里程碑。 GKP量子比特基于量子振荡器的无限维希尔伯特空间，将逻辑信息编码在光学模式的相位空间网格中。这种编码方式赋予GKP量子比特对连续变量噪声的天然抵抗力，尤其针对高斯误差表现出优异的容错性。此外，GKP量子比特允许使用线性光学元件，如分束器、相位调节器以及同频检测器，实现克利福德门的确定性操作，大幅简化了逻辑门的实现流程。
然而，如何高效且稳定地生成用于编码GKP量子比特的非高斯态，是制约光子量子计算大规模应用的关键瓶颈。传统方法通常依赖自由空间光学器件和复杂的非线性过程，不仅体积庞大且缺乏可扩展性，难以应对实际应用中对多路量子比特同时生成的需求。 针对上述挑战，基于多层硅氮化物（SiN）材料的300毫米晶圆平台研发出超低损耗的集成光子芯片，为光学GKP量子比特的生成提供了革新性方案。该芯片通过共振增强方式实现退相干低、时域单模的四路单模压缩态生成功能，配合高度程序化的线性光学干涉网络，能实现多模式缠结态的精确合成。 在该实验中，芯片内集成的光微环谐振腔利用双泵自发四波混频过程（SFWM）有效生成高纯度压缩态。泵光通过片上不对称Mach-Zehnder干涉仪严格滤除噪声光子，保证生成态的高质量。
接着，四路压缩态进入编程好的线性干涉器，由三个输出模式经由超高效率的光子数分辨探测器（Transition Edge Sensors）进行光子数探测触发，而第四路则输出供霍姆迪检测仪进行量子态层析重构，完成对目标GKP态的生成和分析。 该系统具备多项关键优势。超高探测效率（单个探测器效率达99.8%）提升了态的生成成功率和保真度，极大降低了系统整体损耗。同时，全光纤耦合与电光集成封装保证了稳定可重复操作能力。设备工作于室温条件，避免了传统超导探测器常见的制冷需求，简化了实验布置，为未来实用化提供了基础。 实际生成的GKP态表现出典型的网格型负Wigner函数特性和明显的多个峰值结构，验证了态的非高斯性和容错编码潜力。
通过调节探测器的触发模式，可以实现不同格子结构的GKP态，包括矩形和六角形格子，进一步拓展了编码的灵活性和应用的广泛性。 需要注意的是，尽管当前芯片已成功合成近似GKP态，进一步降低光学路径中的损耗仍是提升态品质和实现容错阈值的关键。实验数据显示，如果整体传输率能提升至约99.5%，芯片有望产出对容错量子计算足够优秀的GKP态，有望触及超过9.75 dB的有效压缩度标准。 此外，该芯片架构极具扩展性。未来可以构建由数百万个此类模块组成的庞大阵列，联合多模式重构技术、多阶叠加以及动态阈值纠错方案，形成全光子领域的容错量子计算机核心部件。联合测量基群态的制备和高效量子门实现，将逐步向实用级的量子加速迈进。
综合来看，集成光子平台结合先进的非线性光学、超高效探测以及芯片级线性干涉为GKP量子比特的实际应用铺设了坚实基石。光子因其优异的传输特性和网络连接性，在量子通信与分布式量子计算中具备无可比拟的优势，集成化光子GKP源正是实现这些愿景的重要催化剂。 往前看，技术上的突破将围绕进一步压缩损耗、提高多模式纠错效率及扩大集成规模展开。材料科学的进步将持续推动硅氮化物波导性能优化，制备工艺的成熟将保证器件一致性和批量生产能力。与此同时，更加灵活和智能化的控制与反馈系统将促进动态态调整和实时误差修正，提升整体系统的可靠度。 总之，集成光子制备Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特的成功实现，标志着光子量子计算进入了更为成熟与实用的阶段。
这不仅为量子计算机构建提供了核心物理资源，也推动了量子通信、量子传感等领域的发展。随着相关技术的快速发展，未来基于集成光子技术的量子信息处理将展现出无限可能，开启量子时代的崭新华章。
