光量子计算芯片大揭秘：Xanadu领先容错量子计算的秘密武器！

       内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）

文丨浪味仙  排版丨浪味仙

行业动向：2778字丨7分钟阅读

摘要

加拿大多伦多的光量子计算公司 Xanadu 表示，他们在解决量子计算领域两大核心挑战——纠错与系统扩展性两方面都取得了重要进展。

近日，Xanadu 在《自然》(Nature) 杂志发表题为《Integrated photonic source of Gottesman–Kitaev–Preskill qubits》的突破性研究成果。研究团队首次在集成光子芯片上成功制备了一种名为 GKP（Gottesman–Kitaev–Preskill）态的量子比特，这一成果标志着光量子计算在实现容错计算的道路上领先其它技术路线。

01

如何克服量子计算“越算越错”？

构建实用量子计算机的核心挑战在于量子比特的脆弱性：它们极易受到环境噪声干扰，导致量子相干性损失和计算错误。为了解决这一问题，容错量子计算（FTQC）应运而生。传统的容错方法往往需要大量物理量子比特来编码一个逻辑量子比特，对硬件资源的需求极高。

在众多量子计算平台中，光量子因其高速传输、光纤兼容等固有优势而备受青睐，但由于光子间缺乏天然相互作用导致纠缠制备效率较低，使得光量子计算在实现容错量子计算的道路上，面临难以扩展和非确定性操作的挑战。在此背景下，连续变量（CV）量子计算中的 GKP 量子比特成为焦点。

GKP 态是一种特殊的量子信息编码方式，它通过在光场相空间中形成独特的“格子”结构，天然地对位移噪声具有鲁棒性，有望显著减少实现容错所需的物理资源。

尽管 GKP 光量子比特潜力巨大，但以往制备方法大多依赖于笨重、复杂的自由空间光学设置，这严重阻碍了其集成化和大规模应用。因此，如何在可扩展的集成平台上高效制备 GKP 光量子比特，成为光量子计算领域亟待解决的关键瓶颈。

02

如何在芯片上批量生成量子比特？

Xanadu 的这项研究最核心的突破在于，他们首次成功地在集成光子芯片上生成了高质量的 GKP 光量子比特。这解决了大规模生产和部署 GKP 量子比特的关键难题，实现了从庞大实验室装置到紧凑芯片的飞跃。

该研究成果的关键在于芯片设计与制造的巧妙：研究团队将所有必要的组件都集成到一块基于 300 毫米晶圆制造的氮化硅波导芯片上。

这些组件包括：

• 高效挤压态源：这是生成 GKP 态的基础，通过非线性光学过程产生具有极低量子噪声的压缩光态。

• 精密线性光学网络：包含分束器和相位调制器等元件，它们通过精确的光路控制和干涉，将压缩态转化为具有 GKP 特征的周期性结构。

• 高性能片上光子数分辨探测器：用于精确测量输出光子，从而对生成的量子态进行完整表征。

通过这些高度集成的组件，研究团队能够直接在芯片上合成具有清晰非经典结构和容错所需晶格特征的 GKP 光量子比特。实验结果通过量子态层析成像，重建出量子态的 Wigner 函数，清晰地展示了 GKP 态特有的“格子”结构和负值区域。Wigner 函数的负值是量子非经典性的明确标志，而清晰的格子结构（特别是在 p 和 q 正交分量中至少有四个可分辨的峰值）则证实了其作为容错量子比特的潜力。

03

如何在芯片上精密操控与测量光量子？

Xanadu 这项研究的实验方案，围绕在集成光子芯片上实现 GKP 光量子比特的生成、操控与表征展开。

材料方面，研究人员利用了氮化硅波导平台的优势，这一材料与半导体行业常用的 CMOS 工艺兼容，为未来大规模、低成本制造铺平了道路。芯片设计上，他们将激光器发出的光注入到芯片内部，通过集成在芯片上的光学元件（如环形谐振器）产生挤压态。随后，这些挤压态在精密的线性光学网络中进行一系列干涉和相变操作，巧妙地构建出 GKP 态的复杂量子结构。

在生成 GKP 态后，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）发挥了关键作用。这些探测器具有极高的效率和时间分辨能力，能够精确捕捉和计数从芯片输出的光子。通过对这些探测数据进行量子态层析成像，研究团队成功地重建了 GKP 量子态的 Wigner 函数。

Wigner 函数的重构是验证 GKP 态的关键一步，它直观地展现了量子态在相空间中的分布，包括 GKP 态标志性的周期性峰值和非经典负值区域。对这些特征的精确分析，最终证明所生成 GKP 态的质量达到了容错量子计算所需的关键指标。

04

未来：光量子将率先实现容错量子计算

这项研究成果在多个层面都具有深远的价值，为量子计算的实用化描绘了新的蓝图。

• 加速容错光量子计算的实现：GKP 量子比特的集成化制备，极大地推动了容错光量子计算机的研发进程。它有望通过更少的物理量子比特实现逻辑量子比特，从而降低构建实用量子计算机所需的资源量。

• 推动大规模光量子计算机的构建：基于与 CMOS 工艺兼容的氮化硅平台，意味着 GKP 量子比特可以利用现有半导体制造基础设施进行大规模生产，从而克服了传统光量子计算设备体积庞大、难以扩展的瓶颈。

• 降低量子计算的门槛：GKP 量子比特能够在室温下操作，并可通过标准光纤传输，这极大地降低了对昂贵复杂低温冷却系统的依赖，降低了量子计算的部署和运行成本，有望加速其在更广泛领域的应用。

• 验证了 Xanadu 的战略路线图：作为一家专注于光量子计算的公司，Xanadu 的这项成果进一步验证了其构建模块化、可扩展和可联网光量子计算机的路线图。它标志着公司在实现其技术愿景方面取得了重大进展，为未来商业化奠定了基础。

• 促进量子科学与工程的融合：这项工作是量子物理、材料科学、微纳加工和光学工程等多学科交叉融合的典范，展示了在解决复杂科学工程问题方面的协同效应。

整体而言，Xanadu 的这项研究不仅仅是科学上的一个新发现，更是在工程和技术实现上的一次重大突破。它为构建实用化、可扩展和容错的光量子计算机铺平了道路，预示着量子计算的未来充满无限可能。

Reference：

1、https://www.nature.com/articles/s41586-025-09044-5

2、https://www.youtube.com/watch?v=34-sK81i7-s

3、https://quantumzeitgeist.com/xanadu-breakthrough-in-quantum-error-correction-reduces-qubit-overheads-for-fault-tolerant-computing/