几年后的百万量子比特计算机是什么样的？

光子盒研究院出品

在APS三月会议上，谷歌再次重申将在2029年实现百万量子比特纠错量子计算机，然而初创公司PsiQuantum将这个目标定为本世纪20年代中期，即2025年前后。未来的量子计算机是什么样的？PsiQuantum对其100万量子比特量子计算机的外观提出了一个粗略的设想。

PsiQuantum首席科学官Pete Shadbolt表示：“它将看起来像一栋有一大堆模块的大型混凝土建筑。在这些模块中，有一堆硅芯片，一半是光子的，一半是电子的，整个设备都用你今天看到的光纤连接在一起。”因此，PsiQuantum押注硅光子学将在其数据中心大小的量子计算机中发挥核心作用。

当代数据中心

Shadbolt表示：“当你想到量子计算时，你会想到毫开尔文(约-273℃)的低温、在太空中飞行的原子、原子级制造、疯狂的材料、科幻小说之类的东西。我们需要重新利用已经可以制造的东西。”

该系统将基于使用当今制造技术制造的组件，并且不需要大规模制冷机。“如果你作为一个不经意的观察者来看，它就像一个从顶部冒出一些蒸汽的大型工业设施，”Shadbolt说。

PsiQuantum的方法是IBM、谷歌和微软等大型科技公司以及Rigetti和IonQ等初创公司追逐的众多量子架构之一。一些量子系统已经可以在云中使用。大多数公司都致力于构建可扩展和可靠的纠错系统。在量子计算机中，信息是用量子比特编码的。为了处理量子比特的挑剔性质，需要进行纠错。PsiQuantum的纠错量子计算机具体涉及硅光子调制器、光纤网络和其他组件。

Shadbolt表示：“我们的想法是，我们将采用与制造晶体管相同的制造工艺。具体来说，我们将制造光波导。我们会将光置于芯片中。然后，我们可以用一个组件工具箱来操纵这种光。在物理层面，它实际上是单光子，传播方式与数据中心相同。”

俄罗斯研究人员已经证明[1]光子分束器可以用来构建一个通用的量子计算系统。

Shadbolt表示：“这是一个起点，把它变成一台计算机是非常复杂的，它将是一个大规模的、高性能的类似计算机的系统，该系统中有大量的硅和光纤。

像PsiQuantum一样，谷歌、IBM等也在寻求构建一个100万量子比特系统，但冷却可能是这种超导系统的一个限制，因为它们的运行温度是深空温度的百分之一。

Shadbolt声称：“光子感觉不到热。我们确实使用了一些低温冷却系统，但远没有那么多。我们的量子比特会经历光子损失，但它们真的感觉不到热，也感觉不到电磁干扰。”

在构建数据中心规模的量子计算机时，连通性也是一个考虑因素，因为在一个芯片上不可能容纳一百万个量子比特。

Shadbolt表示：“你需要将芯片连接在一起。你不能只使用以太网，你需要一个量子互连，可以将量子比特从一个芯片发送到另一个芯片。唯一的好方法就是用光，用光子。”

这家初创公司正在为其通过芯片制造商GlobalFoundries(格芯)制造的量子系统获取系统组件，如单光子源和单光子探测器。该公司表示，它已经拥有了量子比特相干性所需的控制电子设备。

PsiQuantum的Q1芯片

Shadbolt承诺：“我们正在建设一个类似数据中心的系统——我们必须铺设混凝土，架设钢梁，这需要时间。但一种安全、直接的答案是，在本世纪20年代中期，我们将停止所有制造过程。不久之后，我们将拥有一台量子计算机。”

与其他团队不同，PsiQuantum希望避开NISQ(含噪声中等规模量子)时代，直接实现容错处理器。通过这样做，他们希望比其他人更快地达到容错目标。他们认为，所有商业上可行的应用都需要容错架构。用户现在使用新一代NISQ机器所做的任何活动都只有有限的价值，因为他们无法完成任何有用的事情，而与这些机器中的错误进行斗争将分散用户对创建正确算法以解决其问题的注意力。

其他几家量子公司也有类似的观点，包括微软、英特尔，可能还有谷歌。尽管这些公司可能没有那么绝对，可能只是说大多数商业相关的量子应用将需要完全容错，而不是说所有应用都需要。

PsiQuantum秉持的另一个核心信念是，创建这样一台计算机将需要使用工业半导体制造厂的最佳制造工艺。在PsiQuantum使用的硅光子技术中，精确的过程控制至关重要，以便将电路中的损耗和噪声降至最低。例如，当一个光子穿过硅片中的通道时，通道表面应该尽可能光滑。通道表面的任何粗糙度都会导致信号丢失，这可能是一个相当大的问题。

粗糙程度影响光子的探测效率

PsiQuantum利用标准半导体工艺，不需要使用不寻常的材料或原子级制造步骤，否则Tier1晶圆厂将不愿与之合作。PsiQuantum选择了格芯作为其代工合作伙伴，以便获得最先进的工艺和最精确的工艺控制。他们指出，随着他们从一个200毫米的晶圆厂转移到格芯的300毫米工厂，图案质量提高了五倍，单光子探测器的固有效率从97%提高到99.7%。

300毫米晶圆

PsiQuantum表示，到本世纪20年代中期，构建一台100万物理量子比特机器所需的所有制造工艺在都将到位。但不代表这时候就有一台可用的机器。为一台正常运转的机器构建和整合所有部件仍需要一些时间。因此，用户可以用来解决现实世界问题的机器的可用性可能会在20年代的后期而不是中期。

可能需要一段时间的部分原因是他们的模块化架构。光量子计算机的模块化，加上光连接的灵活性，可以实现许多可能的容错方案。它们的组成部分是一个独立的模块。但是为了提供一个完整的100万量子比特系统，他们将使用光纤将许多这些模块互连在一起。这种技术应该比其他量子比特技术更容易做到这一点。因为他们的技术基于光子学，他们不需要使用转换器将量子比特转换成可以通过光纤电缆发送的东西。

其他技术，如超导或离子阱量子比特，如果想通过光纤电缆将量子比特发送到另一个处理器芯片，首先需要使用转换器将量子比特转换为光子量子比特。

多处理器实现的另一个问题是模块之间的连接。虽然离子阱等技术可能在一个模块内部实现全连接，但当电路需要在不同的模块中使用两个量子比特时，情况就不是这样了。人们可以利用一种叫做交换门的电路来解决这个问题，交换两个量子比特之间的状态。但是，如果你使用保真度较低的门，那么交换门是有问题的。如果每次量子比特通过一个门时都有出错的机会，那么如果你的实现需要使用太多的量子比特，你最终会有很大的误差。

但是有了像PsiQuantum这样的纠错架构，交换门就不再是问题了，你可以用它们来解决模块间的连接问题。可能还有其他更复杂的方法来解决这个问题，这些方法可能比交换门链的线性开销更好，但如果门不具有零错误率，这些方法仍然可能会出现问题。

结果将是PsiQuantum的量子处理器在物理上相当大。该系统将有大量模块，看起来更像一个经典的计算数据中心集群。它将被放置在一个大型数据中心大小的房间里。

你可能会认为，由于PsiQuantum的硬件尚未上市，因此他们与客户的接触有限。但事实也并非如此。他们与客户打交道，但方式与大多数其他硬件供应商不同。PsiQuantum正在与客户合作，对客户希望用量子计算机解决的问题进行详细的论文分析。他们正在计算所需的量子比特和门的确切数量、解决问题的时间，以及在纠错之前所需的物理错误率，以运行一个可以为现实世界的客户问题提供解决方案的程序。

相比之下，如今大多数客户与其他硬件供应商的合作都是出于培训或实验目的，并使用有时被称为“玩具模型”(toy model)的东西。这些当然有价值，但是不确定客户能否将他们的解决方案从“玩具模型”扩展到具有商业价值的更大模型。当你扩大规模，遇到新的、意料之外的问题时，事情会发生变化，如果你做了更详细的论文分析，你会更早发现这些问题。

光量子计算堆栈

Shadbolt说，PsiQuantum在金融、制药、能源和汽车领域拥有客户和合作伙伴，帮助其量子计划商业化。但是量子计算领域的高风险、高回报性质取决于能否迅速将商业产品推向市场。

要实现这一点，他们还有大量的工作要做。但PsiQuantum非常清楚他们打算如何让他们的量子机器成为现实，以及实现它所需的必要步骤。他们的资金也非常充足，融资总额达到6.65亿美元，并组建了一个庞大的、有才华的团队来解决剩余的工程问题。

另一方面，其他硬件公司也在快速推进其技术。因此，这仍然是一场竞赛，PsiQuantum的方法如何与其他量子计算机实现相抗衡，我们需要再等5-10年才能看到结果如何。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41598-021-89838-5

[2]https://www.theregister.com/2022/03/08/psiquantum_data_center_quantum/

[3]https://quantumcomputingreport.com/a-closer-look-at-psiquantum/

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