集成光子源：实现高效Gottesman–Kitaev–Preskill量子比特的未来之路

量子计算作为计算领域的革命性技术，正逐步走向实用化。其中，基于光子的量子计算体系因其天然的信息携带优势和易于远距离传输的特性，成为研究的热点。然而，实现高质量且可扩展的光量子比特一直是业界的难题。Gottesman–Kitaev–Preskill（简称GKP）量子比特的出现为构建容错量子计算机带来了全新契机。它利用量子光场的无限维希尔伯特空间，将信息以格点状态编码，使得基于高斯操作的量子门可以实现确定性且高效的运算。近期，集成光子芯片在GKP量子比特生成上的突破，更为光子量子计算的落地奠定了坚实基础。

传统的光学实验室采用自由空间光学器件实现非高斯光态的生成，因器件尺寸庞大、光路对环境极其敏感，不利于大规模复制与集成。相比之下，集成光子芯片将非线性光学组件、滤波器、干涉仪以及调控器件高度集成在单一硅氮化物基板上，不仅大幅减少光路损耗，还实现了良好的稳定性和可扩展性。此类芯片利用精心设计的多谐振腔结构，通过受控的自发四波混频（SFWM）过程制备单模压缩态，进而通过线性光学干涉以及多路光子数分辨探测，实现接受式的非高斯态—规整的GKP量子比特。重要的是，集成光子平台采用了高度优化的热光相位调控，使得多模态干涉器能动态调整，灵活合成多种量子态。引入高效的过渡边缘传感器（TES）作为光子数分辨探测器，检测效率高达99%以上，保证了信号的精确筛选和状态的高质量。该体系不仅在实验中成功展示了典型的GKP量子比特格点中的4×4分辨峰结构，还观测到了高维相空间中的负Wigner函数区域，验证了其高度非高斯性质。

生成的状态其位置与动量象限的抖动及点态成分显示出明显的容错特性，具备向实用量子误差校正迈进的潜力。当前实验中的光路整体传输效率约为78%至82%，距理论上实现容错临界对称有效压缩（约10 dB）尚有一定距离。模型预测，通过材料与工艺的改进降低损耗至1%以下，可实现超越该门槛的GKP态质量，满足规模化量子计算的严苛需求。此外，多模式Gaussian Boson Sampling（GBS）装置的创新设计能够通过合成多个原始GKP源，进一步提升生成概率与态质量。配合复杂的“酿造”工艺和测量驱动的压缩过程，集成平台展现出极良好的扩展性。该进展不仅为构建光学平台上的容错量子计算奠定了核心技术基础，还为量子通信与量子传感提供了全新光源的可能性。

GKP态因其对高斯噪声的天然抵抗性及适配通用量子门操作的优势，有望成为未来量子互联网与分布式量子网络的基石。硅氮化物基集成芯片的成熟制造工艺具备与现代半导体产业相容的潜力，支持未来百万级光子源阵列的制备。配套的高速泵浦激光脉冲系统、定制频率锁定控制架构、以及超低噪声本振均支持长时间稳定运行，推动系统从实验室走向工业应用。综合来看，基于集成光子的GKP量子比特合成，是实现高质量、多模态、低损耗且系统可编程的光量子计算路线的关键里程碑。它推动了从量子态生成、滤波、线性变换、态选择到最终测量解码的完整链路的集成化发展。未来，随着技术的不断突破，预计更高维度、更多模态的集成GKP源将被实现，同时多级误差校正机制将配合硬件迭代，推动基于光子的容错量子计算器迈向实用阶段。

Gottesman–Kitaev–Preskill编码的集成制备不仅代表了量子信息科学理论与实验结合的最新成果，也是迈向新型量子技术产业化的重要一步。凭借其低噪声、确定性操作及与现有硅基工艺兼容的显著优势，GKP集成光子源预计将成为支撑未来量子计算、量子通信以及量子传感等领域的重要基石。