繼 2025 年 1 月發表Nature論文以后，成立 9 年至今已融資 2.75 億美元的加拿大量子初創公司 Xanadu Quantum Technologies（下稱 Xanadu）于當地時間 6 月 4 日又在Nature發表新論文。

圖 | 相關論文（來源：Nature）

在本次研究中，Xanadu 團隊在集成芯片上造出全球首個光子 GKP 量子比特，在創建穩健且抗錯誤的量子比特方面迎來了重大突破，也向可擴展、容錯的量子計算邁出關鍵一步。

（來源：Xanadu）

開發真正可擴展的容錯量子計算系統的路徑已經清晰可見

GKP 的全稱是 Gottesman–Kitaev–Preskill，由三位科學家于 2001 年提出。GKP 量子比特的特別之處在于，它利用光的力量通過在多個光子中編碼量子信息來實現自然糾錯，無需激光冷卻，僅需最低限度的低溫條件，即可在室溫下實現可擴展的量子計算能力。

依托光子 GKP 量子比特，Xanadu 表示其正在為打造該公司的量子數據中心鋪平道路。該中心預計擁有數千個網絡機架，可解決化學、人工智能、材料等領域的復雜問題。

（來源：https://www.canadianinnovators.org/ceo-directory/c）

在本次研究之中，Xanadu 團隊還報告了 1550nm 波段光學 GKP 量子比特態的制備和表征。這些量子態顯示出幾個定量和定性特征，使得它們可以與未來的大規模容錯量子計算機兼容。

此外，生成這些量子態的技術基于可擴展的技術體系，有望擴展至數百萬個獨立光源，從而為未來具備實用價值的量子計算機提供足夠數量的量子比特。

研究中，Xanadu 團隊在 300㎜ 晶片定制氮化硅平臺上制造了光子集成電路，該平臺使用了專門針對低光學損耗進行優化的制造工藝，從而彌補了這類系統最關鍵的物理缺陷，同時保留了生成非經典光所需的非線性。

芯片制造和檢測技術的進步，讓他們得以成功生成 GKP 量子比特源，并證明了在進一步降低光學損耗后，該器件可以直接兼容容錯量子計算體系。

Xanadu 團隊針對光子集成芯片的制造工藝進行了大規模定制，從而能在“不降低芯片在大型設施中可制造性”的前提下減少損耗。這意味著這項工作促成了高質量光學諧振器的誕生，并改善了將片上波導與光纖耦合的接口。

另外，Xanadu 團隊還開發出了探測效率遠高于 99% 的光子數分辨探測器。這些改進沒有一項是相互排斥的，所有改進都可以在同一個實驗中結合起來。

據了解，為了制備 GKP 態，Xanadu 團隊首先對壓縮光發生器產生的量子壓縮效應進行了測量，測得壓縮度為 5.2db。對于所產生的 GKP 態，Xanadu 團隊觀察到該態的相空間分布中有四個完全可分辨的峰，并且該函數有九個不同的區域取負值。這些跡象是 Xanadu 團隊一直在努力尋找的，旨在證明這些量子態可用于量子應用。

而通過本次研究他們得出的最激動人心的結論是，開發真正可擴展的容錯量子計算系統的路徑已經清晰可見，那就是——只需減少損耗即可。

需要說明的是，此次成果建立在 Xanadu 團隊另一個“里程碑硬件”Aurora 的基礎上，它是一臺模塊化、可擴展和網絡化的量子計算機。

（來源：Nature）

預計隨著芯片組件和封裝損耗的不斷減少，以及適合多路復用和增殖的芯片平臺的開發，Xanadu 團隊將能生成更高質量的 GKP 量子比特狀態。

總的來說，此次成果為面向容錯光子量子計算機的 GKP 量子比特生成技術指明了一條極具前景的發展路徑。

亟需在光學領域實現能產生 GKP 量子態的光源

據了解，光子量子計算架構面臨一個共同挑戰：將激光等傳統光源提供的經典光轉換為非經典資源態，以適配數字量子比特編碼和便捷的邏輯門操作。這類態的高純度光源始終依賴于參量非線性光學相互作用和光子計數。

在量子光學悠久且成熟的歷史中，許多開創性成就都歸功于自發參量下轉換和自發四波混頻（SFWM，spontaneous four-wave mixing）。這些光子學核心組件能夠按需產生壓縮真空態，而該量子態本身在量子傳感和基礎量子信息處理任務中具有重要應用價值。

然而，要生成用于計算的有用量子比特態，還需要進一步的處理。在線性光學量子計算中，傳統處理方法是采用弱泵浦非線性相互作用，從而產生低壓縮度的雙模壓縮真空態。

將一個輸出臂發送到單光子探測器，能夠以低概率預測單光子狀態，從而提供一種概率性產生高純度單光子的來源，進而用于雙通道量子比特編碼方案。這時，只要能夠有效抑制復用器組件的光學損耗，便可將計算所需概率提升至足夠水平。

但是，即使量子比特的生成概率已經足夠高，使用單光子的雙通道編碼比特來實現量子門操作仍然是不確定的，這導致在輸入態合成之后需要額外的多路復用處理。此外，要實現通用量子門組操作所需的單光子探測器，會導致幾乎所有組件都得集成在低溫環境中運行。

GKP 提供了一種極具優勢的光子量子比特編碼方案，規避了在實現光學量子門時的諸多挑戰。通過充分利用光學模式所承載的無限維希爾伯特（Hilbert）空間，該方案能夠實現量子比特態的制備，并且僅需借助分束器、相位調制器和零差探測器即可完成克利福德門（Clifford gates）操作。

需要說明的是，希爾伯特空間（Hilbert space）是描述量子系統狀態的核心數學框架，克利福德門（Clifford gates）是量子計算中一類特殊的邏輯門操作。非克利福德門則是通過制備“魔法態”（magic states）來實現的。

GKP 這類量子態本身具有對高斯誤差的天然抗性。它的用途不僅限于純粹的計算領域，在量子通信和傳感應用中，它也是很有前景的候選方案。

一個完整的量子計算架構包含三個階段：初始態制備、態純化與簇態合成，其中光學 GKP 量子比特的制備是關鍵技術瓶頸。高質量的 GKP 態已在離子阱與超導電路平臺上實現，但若將其用于這些體系的大規模量子計算，則難以獲得光子體系所具有的可擴展性和組網便利性。

為了充分發揮 GKP 量子比特的優勢，亟需在光學領域中實現一種能夠產生這類量子態的光源，而這便是 Xanadu 團隊開展此次研究的背景。

圖 | Xanadu 公司內部（來源：Xanadu）

有望開發可用于光子量子計算的可行構建模塊

據了解，Xanadu 團隊所采用的特定光子集成電路經過了精心挑選，以便在存在適度光損的情況下生成具有豐富特征的 GKP 態，并且無需在觸發檢測后增加復雜的后續處理階段。

盡管他們已經證明該器件架構在原理上足以生成與容錯兼容的 GKP 態，但所需損耗必須低于 1%。對于全規模系統來說，當使用大量光子數分辨（PNR，photon number resolving）結果來觸發量子態，并且在高斯玻色子采樣（GBS，Gaussian boson sampling）設備實施多路復用和增殖處理，就能夠提高成功概率、態質量和整體損耗容忍度，這時使用兩到三個模式的高斯玻色子采樣設備往往更為理想，從而能夠實現大約 1% 的損耗容忍水平。

實驗中，Xanadu 團隊采用的四模高斯玻色子采樣裝置架構，隸屬于該公司此前研發的同一“階梯型”（staircase）裝置家族，它能被加以輕松改造以便整合到全規模系統之中。

（來源：Nature）

隨著所產生的態的質量的提高，通過接受由更多結果觸發的態就能夠同時提高概率，以及通過基于測量的壓縮或自適應增殖操作，來解釋晶格結構中的小偏差。

當損失水平進一步降低，本次實驗中使用的設備將能產生具有足夠容錯質量的量子態。

目前的實驗已經滿足了位置和動量這兩方面所需的峰值數量。如下圖所示，通過降低光學損耗可以有效提升壓縮效率。

（來源：Nature）

實驗中，Xanadu 團隊選用了特定的光子電路，目的是在中等損耗的情況下產生具有豐富特性的 GKP 態。

Xanadu 之前已經證明了其容錯量子計算機所有組件的可擴展性，這些組件包括壓縮態陣列、光子數分辨探測、快速可重構的線性光學器件以及相干檢測。

而在本次研究之中，Xanadu 團隊證明，其中若干元件能夠以遠高于以往的性能水平實現，因此在未來有望開發出可用于光子量子計算的可行構建模塊。

未來，Xanadu 團隊計劃通過進一步降低損耗水平來提高 GKP 量子比特的質量。此外，他們還致力于提高量子態的產生概率，并研究將此類量子態提煉成更高質量量子態的方法。

參考資料：

https://www.xanadu.ai/blog/the-photonic-qubit-of-the-future

https://en.wikipedia.org/wiki/Xanadu_Quantum_Technologies

https://www.linkedin.com/company/pennylaneai/posts/?feedView=all

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