集成光子芯片实现Gottesman-Kitaev-Preskill量子比特的光学编码突破

研究人员通过定制化多层氮化硅晶圆平台，开发出超低损耗集成光子芯片，结合高效光子数分辨探测器，首次实现了光学GKP（Gottesman-Kitaev-Preskill）量子比特的集成化生成。该研究展示了具有4个可分辨相位空间峰和3×3负维格纳函数网格的GKP态，验证了其在容错量子计算架构中的关键作用，为未来规模化光子量子计算机奠定了技术基础。

　　

量子计算的“光学乐高”革命：集成光子芯片实现GKP量子比特突破
在量子计算领域，光子体系因其室温稳定性和易于网络化的特点备受关注，但将经典激光转换为可用于计算的量子比特始终是核心挑战。传统线性光学量子计算（LOQC）依赖概率性单光子源和复杂的多路复用技术，而基于GKP编码的方案通过相位空间晶格结构，仅需高斯操作（如分束器和零差探测）即可实现确定性逻辑门，展现出显著优势。然而此前光学GKP态仅能在自由空间光学系统中实现，严重限制了规模化应用。

加拿大Xanadu团队通过300毫米定制化氮化硅（SiN）晶圆平台，集成了四模高斯玻色采样（GBS）源、可编程干涉仪和超高效率探测器，在1550nm波段首次实现了芯片化GKP态制备。研究采用双泵浦自发四波混频（SFWM）产生10dB压缩态，通过优化干涉参数和(3,3,3)光子数分辨（PNR）探测，制备出矩形晶格GKP|1>态，其稳定子期望值|<>_p

|=0.273±0.0012，对称有效压缩Δ_sym
²
=0.62±0.02dB，维格纳函数呈现清晰的3×3负值网格。

关键技术方法

1. 双泵浦SFWM压缩源：采用光子分子谐振器设计抑制寄生非线性效应，实现单时空模10dB压缩；
2. 四模GBS架构：通过阶梯式可调干涉仪实现多模纠缠，优化(3,3,3)探测模式参数；
3. 99.89%效率PNR探测器：基于过渡边缘传感器（TES）技术，结合光谱椭偏仪校准提升光子数分辨能力；
4. 相位稳定系统：电光频率梳锁定五路激光，将相对相位噪声控制在2.1°标准差。

研究结果
实验验证
芯片集成了四个微环压缩器、三级滤波系统和可编程干涉仪，端到端传输效率达78-82%。通过2×10⁶
次零差测量重构的Wigner函数显示，目标GKP态在q/p象限均呈现四峰结构，Pauli算符期望值(?X?,?Y?,?Z?)=(-0.002±0.002,-0.002±0.0013,-0.313±0.003)。

多样性态制备
除主(3,3,3)模式外，(1,1,1)探测事件产生三负区猫态，(1,3,3)产生六角晶格态，(4,4,4)产生4×3网格态，证实该平台可扩展制备多种非高斯态。

容错路径分析
模拟表明当系统总损耗降至0.5%时，(n,n,n)模式（n>7）可产生Δ_sym
²

9.75dB的GKP态，达到Aghaee等提出的容错阈值。当前器件已满足相位空间峰数量要求，仅需进一步降低损耗即可实用化。

结论与展望
该研究首次将光学GKP态制备从自由空间系统迁移至集成光子平台，通过SiN芯片与TES探测器的协同创新，解决了量子光源规模化集成的关键瓶颈。尽管当前器件仍需提升传输效率，但其架构已被证明与未来容错量子计算机兼容。结合文献12提出的精炼（refinery）和簇态合成方案，该技术有望为百万量级GKP源阵列提供基础，推动测量基量子计算（MBQC）的实际应用。正如审稿人所评，这项工作“确立了玻色架构在光子量子计算中的关键支柱地位”。