加拿大初创制备1550nm波段光学GKP量子比特态，已完成2亿美元融资

摘要：继 2025 年 1 月发表Nature论文以后，成立 9 年至今已融资 2.75 亿美元的加拿大量子初创公司 Xanadu Quantum Technologies（下称 Xanadu）于当地时间 6 月 4 日又在Nature发表新论文。

继 2025 年 1 月发表 Nature 论文以后，成立 9 年至今已融资 2.75 亿美元的加拿大量子初创公司 Xanadu Quantum Technologies（下称 Xanadu）于当地时间 6 月 4 日又在 Nature 发表新论文。

图 | 相关论文（来源：Nature）

开发真正可扩展的容错量子计算系统的路径已经清晰可见

GKP 的全称是 Gottesman–Kitaev–Preskill，由三位科学家于 2001 年提出。GKP 量子比特的特别之处在于，它利用光的力量通过在多个光子中编码量子信息来实现自然纠错，无需激光冷却，仅需最低限度的低温条件，即可在室温下实现可扩展的量子计算能力。

依托光子 GKP 量子比特，Xanadu 表示其正在为打造该公司的量子数据中心铺平道路。该中心预计拥有数千个网络机架，可解决化学、人工智能、材料等领域的复杂问题。

在本次研究之中，Xanadu 团队还报告了 1550nm 波段光学 GKP 量子比特态的制备和表征。这些量子态显示出几个定量和定性特征，使得它们可以与未来的大规模容错量子计算机兼容。

此外，生成这些量子态的技术基于可扩展的技术体系，有望扩展至数百万个独立光源，从而为未来具备实用价值的量子计算机提供足够数量的量子比特。

研究中，Xanadu 团队在 300㎜晶片定制氮化硅平台上制造了光子集成电路，该平台使用了专门针对低光学损耗进行优化的制造工艺，从而弥补了这类系统最关键的物理缺陷，同时保留了生成非经典光所需的非线性。

芯片制造和检测技术的进步，让他们得以成功生成 GKP 量子比特源，并证明了在进一步降低光学损耗后，该器件可以直接兼容容错量子计算体系。

Xanadu 团队针对光子集成芯片的制造工艺进行了大规模定制，从而能在“不降低芯片在大型设施中可制造性”的前提下减少损耗。这意味着这项工作促成了高质量光学谐振器的诞生，并改善了将片上波导与光纤耦合的接口。

另外，Xanadu 团队还开发出了探测效率远高于 99% 的光子数分辨探测器。这些改进没有一项是相互排斥的，所有改进都可以在同一个实验中结合起来。

据了解，为了制备 GKP 态，Xanadu 团队首先对压缩光发生器产生的量子压缩效应进行了测量，测得压缩度为 5.2db。对于所产生的 GKP 态，Xanadu 团队观察到该态的相空间分布中有四个完全可分辨的峰，并且该函数有九个不同的区域取负值。这些迹象是 Xanadu 团队一直在努力寻找的，旨在证明这些量子态可用于量子应用。

而通过本次研究他们得出的最激动人心的结论是，开发真正可扩展的容错量子计算系统的路径已经清晰可见，那就是——只需减少损耗即可。

需要说明的是，此次成果建立在 Xanadu 团队另一个“里程碑硬件”Aurora 的基础上，它是一台模块化、可扩展和网络化的量子计算机。

预计随着芯片组件和封装损耗的不断减少，以及适合多路复用和增殖的芯片平台的开发，Xanadu 团队将能生成更高质量的 GKP 量子比特状态。

总的来说，此次成果为面向容错光子量子计算机的 GKP 量子比特生成技术指明了一条极具前景的发展路径。

亟需在光学领域实现能产生 GKP 量子态的光源

据了解，光子量子计算架构面临一个共同挑战：将激光等传统光源提供的经典光转换为非经典资源态，以适配数字量子比特编码和便捷的逻辑门操作。这类态的高纯度光源始终依赖于参量非线性光学相互作用和光子计数。

在量子光学悠久且成熟的历史中，许多开创性成就都归功于自发参量下转换和自发四波混频（SFWM，spontaneous four-wave mixing）。这些光子学核心组件能够按需产生压缩真空态，而该量子态本身在量子传感和基础量子信息处理任务中具有重要应用价值。

然而，要生成用于计算的有用量子比特态，还需要进一步的处理。在线性光学量子计算中，传统处理方法是采用弱泵浦非线性相互作用，从而产生低压缩度的双模压缩真空态。

将一个输出臂发送到单光子探测器，能够以低概率预测单光子状态，从而提供一种概率性产生高纯度单光子的来源，进而用于双通道量子比特编码方案。这时，只要能够有效抑制复用器组件的光学损耗，便可将计算所需概率提升至足够水平。

但是，即使量子比特的生成概率已经足够高，使用单光子的双通道编码比特来实现量子门操作仍然是不确定的，这导致在输入态合成之后需要额外的多路复用处理。此外，要实现通用量子门组操作所需的单光子探测器，会导致几乎所有组件都得集成在低温环境中运行。

GKP 提供了一种极具优势的光子量子比特编码方案，规避了在实现光学量子门时的诸多挑战。通过充分利用光学模式所承载的无限维希尔伯特（Hilbert）空间，该方案能够实现量子比特态的制备，并且仅需借助分束器、相位调制器和零差探测器即可完成克利福德门（Clifford gates）操作。

需要说明的是，希尔伯特空间（Hilbert space）是描述量子系统状态的核心数学框架，克利福德门（Clifford gates）是量子计算中一类特殊的逻辑门操作。非克利福德门则是通过制备“魔法态”（magic states）来实现的。

GKP 这类量子态本身具有对高斯误差的天然抗性。它的用途不仅限于纯粹的计算领域，在量子通信和传感应用中，它也是很有前景的候选方案。

一个完整的量子计算架构包含三个阶段：初始态制备、态纯化与簇态合成，其中光学 GKP 量子比特的制备是关键技术瓶颈。高质量的 GKP 态已在离子阱与超导电路平台上实现，但若将其用于这些体系的大规模量子计算，则难以获得光子体系所具有的可扩展性和组网便利性。

为了充分发挥 GKP 量子比特的优势，亟需在光学领域中实现一种能够产生这类量子态的光源，而这便是 Xanadu 团队开展此次研究的背景。

图 | Xanadu 公司内部（来源：Xanadu）

有望开发可用于光子量子计算的可行构建模块

据了解，Xanadu 团队所采用的特定光子集成电路经过了精心挑选，以便在存在适度光损的情况下生成具有丰富特征的 GKP 态，并且无需在触发检测后增加复杂的后续处理阶段。

尽管他们已经证明该器件架构在原理上足以生成与容错兼容的 GKP 态，但所需损耗必须低于 1%。对于全规模系统来说，当使用大量光子数分辨（PNR，photon number resolving）结果来触发量子态，并且在高斯玻色子采样（GBS，Gaussian boson sampling）设备实施多路复用和增殖处理，就能够提高成功概率、态质量和整体损耗容忍度，这时使用两到三个模式的高斯玻色子采样设备往往更为理想，从而能够实现大约 1% 的损耗容忍水平。

实验中，Xanadu 团队采用的四模高斯玻色子采样装置架构，隶属于该公司此前研发的同一“阶梯型”（staircase）装置家族，它能被加以轻松改造以便整合到全规模系统之中。