估值225亿，PsiQuantum的百万量子比特之路

光子盒研究院出品

谁是世界上最吸金的量子计算公司？一定非PsiQuantum莫属——三年疯狂吸金6.65亿美元(47亿元人民币），估值高达31.5亿美元(225亿元人民币)，使其成为融资金额最多的量子计算初创公司(不包括上市)。实际上PsiQuantum尚未推出任何产品，但为何会吸引包括微软在内的投资者的青睐呢？原因就在于它的百万量子比特的承诺。

PsiQuantum的百万量子比特之路要从2009年说起，当时，英国布里斯托尔大学的教授Jeremy O'Brien发表了一篇研究论文，描述了如何重新利用最初由电信业开发的片上光学元件来操纵单个光粒子并进行量子操作。

到2016年，基于早期的光子研究，O'Brien和他的三位学术同事Terry Rudolph、Mark Thompson和Pete Shadbolt创建了PsiQuantum。

创始人们都认为，用传统方法建造一个有用大小的量子计算机将花费太长时间。在公司成立之初，PsiQuantum团队就确立了建立百万量子比特的容错光量子计算机的目标。他们还认为，创造这样一台机器的唯一方法是在半导体代工厂中制造它。

Jeremy O'Brien

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获得资本大力支持

大约两年前，PsiQuantum获得了1.5亿美元的C轮融资，使该公司的总投资上升到2.15亿美元。这一水平的资金意味着人们对PsiQuantum正在建造的量子设备潜力有很大兴趣：当时，PsiQuantum公司是以隐身模式运作的，所以关于其研究的信息很少。直到在去年获得一笔4.5亿美元的D轮融资后，PsiQuantum披露了有关其技术的更多信息。

就在几周前，美国政府向PsiQuantum及其制造伙伴GlobalFoundries(格芯)联合授予了一笔2500万美元的赠款，用于其光量子计算机的工具和进一步开发。与格芯意味着高质量的芯片，因为它是全球三个Tier1晶圆厂之一。

PsiQuantum公司目前的估值为31.5亿美元，它正在遵循一个量子路线图，并采用自己设计的独特技术、组件和工艺，以建立一个百万量级的通用硅光量子计算机。

格芯代工的PsiQuantum芯片

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光量子比特技术路线

经典计算机使用数字比特对信息进行编码，代表0或1。量子计算机使用量子比特（qubits），它也可以代表1或0，或者同时处于0和1之间的某个数字的量子叠加状态。有各种各样的量子比特技术。IBM、谷歌和Rigetti使用的是用小环线制成的量子比特，这些小环线在承受非常低的温度时成为超导体；Quantinuum和IonQ使用的是通过从镱原子中移除一个外层价电子而形成的量子比特；Atom Computing使用锶的同位素制造中性原子自旋量子比特。

光被用于超导体和原子量子计算机的各种操作。PsiQuantum也使用光，并将无限小的光子变成量子比特。在两种类型的光子量子比特中：压缩光和单光子，PsiQuantum选择的技术是单光子量子比特。

使用光子作为量子比特是一个复杂的过程。要在数万亿个具有不同频率和能量的光子中确定单个光子的量子状态是很复杂的。

Pete Shadbolt

Pete Shadbolt博士是PsiQuantum的联合创始人和首席科学官。他的职责包括监督技术的应用和实施，以及对PsiQuantum的成功至关重要的科学相关政策和程序。在2014年获得布里斯托尔大学实验光量子计算的博士学位后，他曾在帝国理工学院做博士后，研究光量子计算的理论。在布里斯托尔大学期间，他展示了有史以来第一个变分量子本征求解器和第一个公开的量子处理器API。他曾被英国研究委员会授予2014年EPSRC“新星”奖、EPSRC认可鼓舞人心的科学家和工程师奖，以及欧洲物理协会论文奖。

Shadbolt博士解释说，从光束中检测一个光子类似于从亚马逊河体积最宽的地方收集一滴指定的水。

“这一过程发生在25美分硬币大小的芯片上，”Shadbolt博士说：“非凡的工程和物理学正在PsiQuantum芯片内发生。我们正在不断改进芯片的保真度和单光子源的性能。”

但是任何光子都不够好。对用作量子比特的光子有严格的要求：一致性和保真度对光量子计算机的性能至关重要。因此，每个光子源必须具有高纯度、适当的亮度，并产生一致的全同光子。

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选择格芯作为合作伙伴

一年前，当PsiQuantum宣布其D轮融资时，该公司透露它与格芯建立了一个先前未披露的伙伴关系。在公众视野之外，该伙伴关系已经能够为光量子芯片建立一个首创的制造工艺。这种制造工艺生产的300毫米晶圆包含成千上万的单光子源，以及相应数量的单光子探测器。该晶圆还包含干涉仪、分光器和移相器。为了控制光子芯片，在德国德累斯顿的格芯工厂还建造了先进的电子CMOS控制芯片，其中有大约7.5亿个晶体管。

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光子的优势

每一种量子比特技术都有自己的一套优势和劣势。PsiQuantum选择使用光子来构建其量子计算机有几个原因：

• 光子不会受到热的影响，而且大多数光子组件在室温下工作；
• PsiQuantum的超导量子光子探测器需要冷却，但其工作温度比超导量子比特高100倍左右；
• 光量子比特与光纤网络兼容，使本地设备之间的光子路由变得容易；
• 光子不受电磁干扰的影响；
• 光子量子比特的另一个值得强调的主要优势是能够在相对较长的时间内保持量子态。作为光的一致性的一个例子，尽管传播了数十亿年，但由遥远的恒星和星系发出的光到达地球时，其原始的偏振态是完整的。一个量子比特能够保持其偏振量子态的时间越长，它能够执行的量子操作就越多，这使得量子计算机更加强大。

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为什么要从一百万个量子比特开始？

“我们相信我们已经破解了建造百万量子比特量子计算机的密码，”Shadbolt博士说：“尽管这是一个巨大的数字，但这个秘密似乎很简单。我们所要做的就是使用与将数十亿个晶体管放入手机的相同过程。我们觉得大型量子计算机在我们的有生之年不会存在，除非我们想出了如何在半导体代工厂建造它。这个想法已经变成了现实。我们现在正在格芯的300毫米平台上建造紧挨着笔记本电脑和手机芯片的量子芯片。”

据Shadbolt博士说，PsiQuantum公司的定制制造线已经取得了很大进展。令人惊讶的是，在代工厂建造百万量级的量子机，有许多与组装经典超级计算机相同的非量子问题：包括芯片产量、可靠性、高通量测试、包装和低温冷却。

“从我们第一个格芯公告发布到现在，我们已经生产了大量的硅，”Shadbolt博士说：“我们总共做了七次‘下线’（Tape-out），现在我们看到成百上千的硅片进入我们的大门。我们正在包装、装配系统、集成和光纤连接方面进行大量投资，以确保光流入和流出芯片的最高效率。”

PsiQuantum正在进行大量的持续研究，以及不断提高光子元件和工艺的性能。除了高性能的光学元件外，实现工艺的技术也非常重要。几个使能因素包括光学开关、光纤到芯片的互连以及键合方法。

“在格芯，我们在过去的几次下线中大大改善了光子检测器的效率，”Shadbolt博士解释说：“我们一直在努力防止越来越少的光子从系统中流失。在我们最近的芯片中，我们还将波导损失推向了极低的水平。”

“这里面涉及很多创新。我们的单光子源就是一个很好的例子。我们将激光直接照射到芯片中，以运行单光子源。激光比我们需要探测的单光子的强度高约一万亿倍，因此我们必须将该芯片上的光衰减约一万亿倍。”

Shadbolt博士将PsiQuantum的制造成功归功于格芯。根据经验，他知道Tier2晶圆厂和像格芯这样的Tier1晶圆厂之间存在着巨大的差异。构建PsiQuantum公司所需的芯片，只能通过极其成熟的制造工艺来完成。

“PsiQuantum有两个苛刻的要求。我们需要大量的组件，而且我们需要这些组件始终满足极其苛刻的性能要求。世界上很少有合作伙伴能够可靠地实现这样的要求，我们一直知道，与格芯这样的成熟制造商合作是我们战略成功与否的关键。”

这种合作关系对格芯也有好处，因为它通过将PsiQuantum的光子工艺加入到代工厂中，获得了额外的新技术经验。

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曙光就在眼前：光学开关

根据Shadbolt博士的说法，最初的问题是大量的量子设备是否可以在代工厂中建造，这已经不再是一个问题，因为其硅的产出已经常规地证明了这一点。然而，将新设备插入制造流程中一直是困难的：它很慢，而且非常昂贵。纳米线单光子探测器是一个直接来自大学实验室并被插入制造流程的开发实例。

PsiQuantum的半导体路线图只剩下几个项目需要完成。由于一百万个量子比特不适合放在一个芯片上，量子计算机将需要多个量子处理器芯片用光纤互连，并由超高性能的光学开关提供便利，以允许芯片之间的单光子操作的远程传输和纠缠。

“剩下的就是光学开关（optical switch）了，”Shadbolt博士说：“你可能会问，为什么光量子计算的人从来没有建立过任何规模的东西？或者为什么他们没有展示过非常大的纠缠态？原因是需要一个特殊的光学开关，它必须有非常高的性能，比任何现有的最先进的转换器，如那些用于电信网络的光电开关更好：这是一个经典的设备，它的唯一功能将是在波导之间传送光，但它必须以极低的损耗和极高的速度来完成。它必须是一个非常非常好的光学开关。”

光电开关（光电传感器）

如果不能买到，那么就必须自己制造。

对于PsiQuantum来说，实现一个具有正确规格的光学开关是一个只许成功不许失败的项目。由于不存在符合应用需求的商业光学开关，PsiQuantum公司别无选择，只能建造一个。在过去的几年里，其管理层一直在大力投资开发一种非常高性能的光学开关。

Shadbolt博士解释说：“我相信这是PsiQuantum公司正在做的最令人兴奋的事情之一。建立一个极高性能的光交换机是我们路线图上的下一件大事。我们相信它是开启光量子计算巨大前景的关键。”

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总结与展望

PsiQuantum公司的成立是基于这样的信念：光子学是构建具有百万量子比特的容错量子机的正确技术，而正确的方法是基于半导体制造。与NISQ量子计算机相比，公司创始人希望避免随着时间的推移逐步建造越来越大的机器。

考虑到建造百万量子比特量子计算机所需的整体过程，其高度的复杂性，以及缺乏成熟的工具和工艺，PsiQuantum自最初成立公司以来取得了惊人的进展。

它与世界上最好的代工厂之一建立了真正的合作关系，生产了七个芯片下线，并资助以建立一个首创的晶圆制造工艺，将超导单光子探测器纳入一个普通的硅光子芯片。而今天，它正在应对另一个挑战，建造一个光学开关来填补所需产品不存在的空白。

毫不奇怪，超高性能的光学开关是PsiQuantum公司建立可扩展的百万量子计算机计划的一个关键部分。其他量子公司也计划在十年内整合类似的光学开关技术来扩展模块化QPU架构。PsiQuantum正在开发的高性能光学开关有朝一日可以在未来的百万量子比特量子数据中心中连接数万个量子处理单元。作为一个独立的产品，如果PsiQuantum公司选择将其推向市场，它也可以成为额外收入的来源。

一旦光学开关被制造出来，它将需要被启用到格芯的制造流程中。这是完成PsiQuantum公司代工装配流程所需的最后一步，然后它就可以生产光量子计算机芯片了。

但是，即使有了完整的端到端制造流程，构建一个完整的容错量子计算机还需要大量的时间。PsiQuantum仍将围绕格芯生产的芯片构建完整的量子计算机。为此，它将需要一支训练有素的劳动力和一个可以组装、集成、测试和分配大型量子计算机的地点和基础设施。

基于晶圆厂后的工作量，光学开关的开发，以及剩下的组装，并假设没有重大的技术问题或延误，相信PsiQuantum将在十年中期之后可以提供任何规模的光量子计算机。

为此，Shadbolt博士表示：“尽管光学开关显然将是一项非常强大的通用技术，其他人也会感兴趣，但我们对它的通用用途不感兴趣。我们只对以下事实感兴趣：它将使我们能够建立一个超越地球上所有超级计算机的量子计算机——这是我们的唯一目标。”

参考链接：

https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/09/21/psiquantum-has-a-goal-for-its-million-qubit-photonic-quantum-computer-to-outperform-every-supercomputer-on-the-planet/?sh=4ead8e758db3

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