这个光量子计算团队，不到半年再发《Nature》正刊！首次在集成芯片上展示抗错光子量子比特
本研究采用基于定制的氮化硅多层300 nm晶圆平台制造的超低损耗集成光子芯片，结合光纤耦合的高效光子数分辨探测器，成功制备出GKP量子比特态。实验观测到该量子态具备容错计算所需的关键模态特征：在p和q正交分量上均呈现至少四个可分辨峰，其Wigner函数负值区域展现出清晰的3×3网格点阵结构。研究进一步表明，通过继续降低光学损耗，该器件有望产生满足容错量子计算要求的量子态。实验验证了玻色架构在光量子计算中的核心支柱作用，为构建未来容错量子计算机所需的GKP源阵列奠定了技术基础。研究背景光量子计算面临着将经典光源转换为非经典资源态以实现量子比特编码和逻辑门操作的难题。传统方法依赖非线性光学相互作用和光子计数，如自发参量下转换和自发四波混频，虽能产生压缩真空态用于量子传感和基础信息处理，但要得到可用于计算的量子比特态，还需进一步处理。线性光量子计算传统上通过弱泵浦非线性相互作用产生双模压缩真空态，再经单光子探测器产生概率性单光子源用于双轨量子比特编码，需多路复用技术提升概率，但单光子双轨编码量子比特的门操作具有不确定性，且所需探测器多偏好低温环境，增加了实现难度。来源：XanaduGKP态提供了一种强大的替代方案。它利用光模式的无限维希尔伯特空间，使得Clifford操作可通过简单的分束器、移相器和零差探测器确定性实现，非Clifford门则通过制备量子比特魔法态实现。此外，GKP态还对高斯误差有着天然抗性，可广泛应用于量子通信、传感等领域。不过，此前高质量GKP态虽在离子阱和超导电路平台有报道，但在大规模量子计算方面，光子方法更具可扩展性和网络优势，因此在光学领域实现 GKP态对于充分发挥其优势至关重要。GKP量子比特与集成光子学量子计算机有望为当前难解的计算问题提供解决方案。但对于多数平台而言，系统整体需要处于低温或近真空环境的要求严重制约了其规模化发展。为突破这一瓶颈，Xanadu致力于研发可产生光子型量子比特（即Gottesman-Kitaev-Preskill编码量子比特，简称GKP量子比特）的集成芯片。这类量子比特支持的运算架构对低温环境需求极低，且无需真空条件维持。量子计算机的主要资源消耗源于量子纠错对量子逻辑电路的保护需求。光子量子比特可通过光纤进行路由传输，这种特性使其具备优异的可操控性与互联性，从而显著降低纠错开销。更重要的是，与基于单光子的传统光子量子比特不同，GKP量子比特支持确定性逻辑门操作，这极大简化了计算架构。集成光子学技术虽长期被认为具有超越体光学实验的规模化潜力，但其发展始终受限于光学损耗问题——即光子通过光学元件时的损耗率。即便仅增加几个百分点的损耗，也会严重影响量子态的制备品质。相比之下，经典集成光学应用至今尚未对低损耗集成元件提出严格要求。要实现突破，必须在多领域协同推进。图1：用于测量基础量子计算的三阶段集群态资源准备示意图基于此，研究团队通过深度定制光子集成芯片的制造工艺，在不影响大规模生产可行性的前提下显著降低了损耗。这项工作实现了高品质光学谐振腔，还优化了芯片波导与光纤的耦合接口。此外，成功研制出探测效率超过99%的光子数分辨探测器。尤为振奋的是，这些技术改进均具有兼容性，可集成于同一实验系统。在制备GKP量子态前，研究测得压缩光发生器实现的量子噪声压缩度达5.2分贝——这对纳米光子平台已是重大突破。实验方案实验采用线性光学干涉结合光子数分辨检测的方案来合成GKP态。核心器件是基于定制多层氮化硅300 mm晶圆平台制造的超低损耗集成光子芯片，该芯片集成了制备多模纠缠高斯态所需的全部元件。芯片上，通过基于光子分子设计的集成微环多谐振器阵列，利用简并自发四波混频（SFWM）产生单模压缩态光。两个泵浦激光器为SFWM提供能量，同时输入控制光稳定微环谐振器和生成态的光相位。输入光先经非对称马赫-曾德尔干涉仪（MZI）滤波抑制噪声光子，再通过三个对称MZI将泵浦光分配到四个片上压缩器，产生不同程度的压缩态。图2：实验原理示意图及简化芯片布局产生的压缩态经可编程线性干涉仪纠缠后，四个模式的光耦合出芯片。其中三个模式经光纤耦合波分复用滤波器后由光子数分辨（PNR）探测器测量，剩余一个模式用平衡零差检测进行态层析。实验中，PNR探测器采用定制的低温转变边缘传感器设计，检测效率高达99.89%，零差检测系统由高量子效率光电二极管和定制跨阻放大器电路组成，可精确测量量子态。实验以200 kHz的重复率运行，记录大量数据并进行处理，最终成功生成GKP量子比特态。迈向容错光量子计算的重要一步本实验成功合成并表征了1550 nm波长波段的光学GKP量子比特态，这些态展现出与未来实用规模容错量子计算机兼容的关键特征。从实验结果来看，所生成的GKP态在位置和动量概率分布上均呈现出四个可分辨的峰值，这一特性对于实现更高的有效压缩至关重要，是迈向高质量量子态的重要标志。同时，GKP态的Wigner函数显示出清晰的3×3网格结构的负区域，高程度的非高斯性为通用量子计算提供了必要资源。图3：实验结果通过量化近似GKP态的稳定子期望值，能够准确评估其质量。实验中由PNR模式（3, 3, 3）预示的近似GKP态，其稳定子期望值超过了高斯纯态所能达到的最大值，对应的有效压缩和对称有效压缩也达到了一定水平，这充分证明了GKP态的优越性。图4：对称有效压缩与设备损耗的关系模拟结果表明，若进一步降低损耗，实验所用器件能够产生满足容错要求的高质量GKP态。Xanadu表示，当前实验已满足位置和动量峰值数量的要求，随着芯片组件、制造和封装过程中损耗的持续降低，以及合适的芯片复用和培育平台的开发，未来有望生成质量更高的GKP量子比特态，为容错光量子计算机的发展指明了方向。Xanadu硬件首席技术官Zachary Vernon指出：“从某种意义上说，GKP态是最优的光子量子比特编码方案：它能在室温环境下通过相对简单的确定性操作实现逻辑门与纠错功能。此次实验验证是我们近期在芯片制造、组件设计和探测器效率等领域实现损耗降低与性能提升的重要实证里程碑。”
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