随着量子计算技术的迅猛发展，寻找高效、可扩展且稳定的量子比特编码方式成为科学界的核心任务。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）编码作为一种创新的量子比特表达方式，因其具有对噪声的高容忍性和兼具实用性的量子门实现方式，近年来备受关注。尤其是集成光子技术的突破，为GKP量子比特的制备带来前所未有的机遇，有望彻底改变量子计算和量子通信的格局。 GKP量子比特的概念最早由Gottesman、Kitaev和Preskill提出，他们利用光学模式的无限维希尔伯特空间，设计出一种基于位置（q）和动量（p）象限的二维格状编码体系。这种编码让原本复杂难以操作的连续变量量子信息，借助特殊构造的网格态（grid states）转化为具备数字化特征的量子比特，进而实现了一套完整的泊松噪声容错框架。GKP态以其独特的矩阵结构和多峰分布的概率特性，可以有效抵御多种高斯型噪声，并且能够通过简单的光学器件如分束器、偏相器和同频检测器，完成核心的克利福德门操作，显著降低了量子门实现的复杂度。
然而，制备和操控高质量GKP态一直是实验物理的重大挑战。传统方法多采用自由空间光学元件进行构建，这限制了系统的稳定性和扩展性，也使得进行大规模多比特集成变得不现实。为此，集成光子技术应运而生，成为克服这些障碍的关键。集成光子芯片利用微纳加工技术，在尺寸微米级甚至更小的尺度上实现了复杂的光路组合和调控，极大地节约了空间和资源，并显著提高了系统对环境扰动的抵抗能力。 最新的研究成果展示了一种基于多层硅氮化物定制平台的集成光子芯片，该芯片采用超低损耗设计，将传统自由空间体系的多个独立组件集成于单一晶圆上。该芯片内置多个微环谐振器，通过受激四波混频机制，生成高纯度的单模压缩真空态。
同时，精确设计的马赫–曾德干涉仪分配泵浦光，保证了每路压缩态的高性能和模式匹配。随后，线性光学干涉阵列将这些压缩态相互纠缠，形成多模高斯态。通过配备效率达99.8%的过渡边缘传感器(PNR)实现的光子数分辨探测，成功实现对特定光子数模式的滤波和驾驶，从而实现对GKP态的精准投发和制备。 实验运行在1550纳米波长波段，符合电信C波段标准，有利于未来量子通信的集成和远距离传输。通过对近130亿次实验重复的统筹分析，研究团队成功解析了不同光子探测模式所对应的量子态图谱。最典型的诸如(3,3,3)三路探测光子数结果，制备出矩形格子形式的GKP |1⟩ 态，其位置和动量的概率分布展示了明显的四个峰，证明了态的结构足够丰富以满足后续纠错需求。
同时显著的Wigner函数负值区域形成了经典与量子之间界限的标志，说明制备的态具备非高斯性和量子计算的必需资源。 值得一提的是，这一集成方案兼具高度的模块化和可扩展性。随着制造工艺的不断完善，损耗控制在1%以下成为可能，而在通信线路和探测器之间的总传输效率提升至近99.5%，即可实现具备容错门限需求的GKP状态制备。更重要的是，相关策略诸如状态洗炼（refinery）、多态混合（multiplexing）及迭代态制备（breeding）等前沿技术，可将在未来的光路设计中集成，实现对概率低、质量不确定的态进行优化和放大，大幅度提升整体量子系统的性能和制造良品率。 从技术角度分析，该光子芯片采用“光子分子”结构的双谐振器设计，能够有效抑制不必要的寄生非线性效应，提升单模压缩性的纯度。利用高品质因子高达1.28×107的谐振器，实现580MHz带宽且高耦合效率的模式输出。
此外，在芯片光路设计中采用阶梯式可调耦合器阵列，实现对多模干涉网络的灵活编程，完美匹配特定的高斯波函数变换需求，确保输出态的精确调控。封装技术方面，芯片采用光纤阵列直接耦合，减少界面反射和模式失配导致的损耗，同时通过电极线键合实现热调控。 探测方面，研究团队通过置于稀释制冷机中的TES传感器实现对输出光子的高效捕获和光子数分辨能力。该传感器的制作工艺结合了椭偏光谱测量和严格的电磁数值模拟，实现对薄膜层厚度的精确控制和优化。特别大的检测面积和优良的光学耦合设计，增强了传感器对于光入射位置的容忍性，极大提升了探测效率及信噪比。三套此类探测器联合工作，为GKP制备过程的条件投射提供了可靠依据。
此外，采用先进的相干激光源系统，通过两路泵浦激光器产生双泵四波混频作用，并配备锁相反馈控制保证稳定的相位关系，保障了多模压缩态的一致性和同步性。局部振荡器脉冲与参考激光经过精确整形和时间同步，满足同频检测系统的测量需求。整体激光系统噪声低，时钟同步精度高，为高质量量子态制备提供了坚实基础。 在量子态测量层面，利用平衡同频检测系统进行四个量子态的角度扫描，结合最大似然算法进行量子态断层重构，获得高分辨率的密度矩阵和Wigner函数分布。数据分析显示，所生成的GKP态表现出有效压缩程度和对称压缩值远优于纯高斯态，可满足未来容错需求。进一步统计结果也揭示了不同光子数投射条件下生成的多样非高斯量子态库，为后续量子态间的转换和优化提供丰富资源。
展望未来，这一集成光子平台为构建大型光子量子计算机奠定了关键技术基础。通过将千万乃至百万量子比特的集成光子模块汇聚，可实现基于GKP编码的容错量子群态态生成和测量驱动计算，突破传统架构的瓶颈。尤其在量子通信领域，基于1550纳米的GKP态制备可与现有光纤网络无缝对接，打造全球量子互联网的坚实基石。此外，该技术的低温运行要求相对宽松，减少了整体系统的资源消耗和维护难度，极大地推动了量子计算向实用化迈进。 总之，集成光子源制备GKP量子比特技术的突破，标志着连续变量量子信息处理进入了一个崭新阶段。未来随着材料科学和集成制造工艺的不断进步，加之计算理论和算法的创新，基于光子的全光子量子计算机将离我们越来越近。
科学家们对集成光子技术的潜力充满信心，期待在可预见的将来，借助GKP编码实现高效、稳定且可扩展的量子计算，为人工智能、复杂模拟、密码学等领域带来深刻变革。
