量子光学中的容错量子计算研究综述
据2024年1月19日出版的《Science》期刊第383卷，作者Shunya Konno等科研小组进行了关于量子光学中利用Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子位实现容错量子计算的开创性研究。本研究主要涉及东京大学、理研（RIKEN）量子计算中心、日本国立信息通讯技术研究所（NICT），以及其他国际知名研究机构。
研究背景
量子计算机在特定任务上具有超越经典计算机性能的潜力。然而，量子信息十分脆弱，容易受到噪声和错误的影响。为了在量子计算中降低出错率，量子纠错（QEC）策略被提出。这项研究旨在通过使用GKP量子位，实现对光传播过程中量子信息的容错编码与纠错。GKP是基于光学频率的实现多体量子操作的一种有前景的方案，其在光学系统中的运用提供了实现大尺度和高速量子计算的可能性。
研究流程及实验过程
研究团队提出了一种利用猫态（cat states）干涉生成GKP状态的方法。传统上，GKP量子比特主要在机械和微波频段被展示，而该研究则在光传播系统中首次展示了其在电信波长下的生成。实验首先利用光学系统中的猫态干涉，随后进行本振（homodyne）测量来确认生成的GKP状态的特性，尤其是非经典性和非高斯性的展现。
实验体系包括多道处理过程，首先生成光学猫态，通过光子减法技术从压缩光中实现这些状态的生成。光路系统中，利用超导纳米条单光子探测器（SNSPDs）验证猫态干涉。通过对干涉后的光波进行本振测量，来实现GKP状态的生成并进行了量子层析成像与分析，验证了生成状态的稳定性和非高斯性。
该方法特别之处在于引入了离线的非线性，得以在一套实验平台上实现GKP状态生成，使得这种状态具有较小的实验损耗且无需额外误差修正。此外，该方法具备半确定性，结合尖端光子数分辨探测器与高效猫态生成方法，大大提高成功率。
实验结果
实验结果显示，所生成的GKP状态在探测和纠正x和p均方误差上具有显著优势。通过精细的本振测量与量子层析恢复，研究证明了此状态下的夹具值达到了sub-Planck极限，即在同时测量x和p时均表现出尖锐峰值，这表明GKP状态的形成。尽管目前该GKP状态的有效压缩仅达到2.5分贝[db]，低于离子束和微波系统中的结果，但本研究突破性地克服了光学系统在生成传播式GKP量子态的难点，其生成频率已超过10Hz，预计在不久的将来可超越其他物理系统的钟频率。
研究亮点
此研究的重要发现包括：
研究意义
该研究对于提升量子计算的速度与规模有着深远意义，特别是在光通信和量子互联网的应用中，具有良好的现实潜力。通过时间与频率的复用，实验已展示了大规模量子计算平台，预示着未来光学量子计算的实现将有望达到更高的运行频率。此外，研究过程中开发的高效光学组件与量子测量技术，为日后的相关应用研究打下了坚实的基础。
本研究显著提升了光学系统中量子计算的实际应用前景，并为实现容错量子计算机的最终目标铺平了道路。