引言

在量子计算领域，每一次技术的突破都如同在黑暗中点亮一盏明灯，为人类探索未知的科技疆域照亮前路。近日，加拿大量子计算公司Xanadu在国际顶级学术期刊《Nature》上发布的一项研究成果，无疑为量子计算的发展注入了强大的动力。他们成功研发出全球首个集成光子芯片的Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子光源，这一突破性进展，让困扰学界20年的光子量子计算核心难题——如何制造“完美量子光源”首次看到了产业化的曙光。

第一章 GKP量子比特：量子计算的“新宠儿”

GKP量子比特，全称为Gottesman-Kitaev-Preskill量子比特，是一种极具潜力的量子比特编码方式，如图1所示。与传统量子比特相比，GKP量子比特允许使用简单的、确定性的、室温兼容的高斯操作来实现通用门集，这意味着在量子计算过程中，能够更加高效、稳定地进行量子操作。

以往生成光学GKP态和其他复杂非高斯态的方法依赖于自由空间光学组件，这极大地限制了系统扩展到实用规模的可能性。自由空间光学组件不仅体积庞大、稳定性差，而且在集成和扩展方面存在诸多困难，难以满足大规模量子计算的需求。

图1 基于测量的量子计算中的集群态构架。

第二章 集成光子源：GKP量子比特的“诞生地”

Xanadu公司在多层氮化硅晶圆上制造了超低损耗集成光子芯片，结合高效的光子数分辨探测器，首次在实验中生成了GKP量子比特态。

集成光子芯片是该实验的核心部件。如图2所示，基于低损耗氮化硅波导平台，成功制备了多模纠缠高斯态。通过先进的封装技术，可以实现超低线性损耗。在实验中，芯片使用线性光学干涉仪纠缠四个独立的单模压缩态，并通过光子数分辨（PNR）探测在三个输出模式上进行信号预报，从而成功生成了GKP量子比特态。

为了确保实验的准确性，研究团队还使用高效率的过渡边缘传感探测器，其测量效率高达99.89%，能够提供内在的光子数分辨能力。这使得实验能够精确地检测和测量生成的GKP量子比特态，为研究提供了可靠的数据支持。

图2 实验示意图和简化芯片布局。

第三章 实验中的技术挑战与突破

在实验过程中，研究团队面临着诸多技术挑战。其中，光学损耗和探测效率是高质量GKP态生成的主要技术瓶颈。光学损耗会导致量子态的退相干和信息的丢失，从而影响量子比特的质量和稳定性。而探测效率则直接影响到对量子态的检测和测量精度，低探测效率会导致实验数据的不准确和不可靠。

为了克服这些挑战，研究团队进行了大量的技术攻关。在芯片制造方面，他们通过优化制造工艺和材料选择，成功地降低了芯片的光学损耗。同时，他们还采用了先进的封装技术，进一步提高了芯片的性能和稳定性。在探测器优化方面，他们定制高效率的过渡边缘传感探测器，提高了探测效率，确保了实验数据的准确性。

研究团队最终生成了具有关键模式特征的GKP量子比特态。如图3所示，这些态在位置和动量正交分量上显示出至少四个可分辨的峰，以及负Wigner函数区域的清晰晶格结构。这对于容错量子计算至关重要，因为这些特征表明生成的GKP量子比特态具有较高的质量和稳定性，能够满足容错量子计算的要求。

图3 实验结果。

第四章 技术细节与突破：为未来量子计算奠定基础

除了上述的芯片制造和探测器优化技术外，研究团队还在其他方面取得了重要的技术突破。在干涉仪设计方面，他们采用了可编程线性干涉仪，由级联的可调耦合器组成。这种设计提高了干涉仪的灵活性和可编程性，为量子态的生成和操控提供了更多的可能性。

在损耗分析方面，研究团队通过模拟发现，如果损耗进一步降低，实验中使用的设备将能够产生质量足够高的态，以满足容错要求，如图4所示。这一发现为未来的研究提供了重要的方向，即通过进一步降低光学损耗，提高GKP量子比特的质量和稳定性。

此外，研究团队还展示了所使用的四模高斯玻色采样（GBS）设备架构的扩展性。这种架构属于“阶梯式”设备家族，可以轻松修改以纳入全尺寸系统，并可能通过多路复用和繁殖阶段提高成功概率、质量和整体损耗容忍度。这为未来构建大规模、高可靠的量子计算机提供了重要的技术基础。

图4 对称有效压缩与设备损耗。

终章 未来展望：量子计算的“星辰大海”

Xanadu公司的这项研究成果，不仅为量子计算领域带来了重大的技术突破，更为未来的量子计算发展指明了方向。随着芯片组件、制造和封装中持续减少损耗，以及适合多路复用和繁殖的芯片平台的发展，预计未来的演示将产生更高质量的GKP量子比特态。这将为构建容错光子量子计算机奠定坚实的基础，推动量子计算从实验室向工业化应用迈进。

容错量子计算机是量子计算领域的终极目标之一。它能够在计算过程中自动检测和纠正错误，确保计算结果的准确性和可靠性。Xanadu公司的这项研究成果，为实现容错量子计算机提供了重要的技术支撑。未来，随着技术的不断进步和应用的不断拓展，我们有理由相信，量子计算将不再是实验室中的“象牙塔”，而是真正走进现实，为人类社会带来革命性的变革。

参考链接: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09044-5

撰稿｜王一毅

指导｜刘玉龙