革新光量子架构，「微软」将重绘量子蓝图！

光子盒研究院

上周，总部位于温哥华的量子初创公司Photonic Inc公布了其在过去七年中秘密开发的新型量子架构的详细信息。

该公司还宣布已经完成了最新一轮1亿美元的融资，其中最引人注目的是微软公司成为了新的重要投资者。Photonic公司和微软还宣布了一项战略合作，旨在将这项新技术引入微软量子Azure元素，并将其作为量子网络技术进行更广泛的开发。综合来看，我们认为这些都是今年量子领域迄今为止最重要的发展。

在已有的业内新闻中，即使是普通的量子进展也会被大众文章当作重大突破来报道，因此很难在众多报道中脱颖而出。
要了解此次新架构的颠覆性潜力，我们首先要认识到量子世界目前存在的一些现状与“各自为政”：
- 物质量子比特爱好者指出，它们的量子比特寿命长；光子技术路线则在互连方面极具潜力。
- 离子/原子阱专家致力于实现这些量子比特所需的短波长，网络专家则在光导纤维支持的较长波段工作。
- 硅自旋专家指出，28Si具有承载长寿命自旋量子比特的巨大潜力；硅光子学专家则指出本地量子光子支持。
- 量子计算专家强调纠缠是一种计算资源，量子通信专家则关注用于密码学的纠缠。
- 量子传感专家各自为战；没有人研究出如何将它们联系起来。
可以说，在实践中，所有这些不同的团体都被一个缺失的技术组件所阻隔：一个高效的自旋光子接口，可在易于制造的封装中实现，并在网络友好的电信频段内运行。

Photonic公司的新型量子信息处理架构图示
Photonic公司成立于2016年，致力于寻找这一问题的解决方案。该公司借鉴了早在1981年的学术成果，并将研发重点放在2020年之前。自2021年起，该公司开始围绕T中心（一种在硅中存在缺陷的人造色心）构建新的量子计算和网络综合架构。这带来了一系列优势：
- 即使在相对较低的温度下（1-2K），28Si也能保证较长的量子比特寿命；
- T中心的工作波长约为1326纳米，与电信O波段兼容；
- SOI带来了先进的纳米实验室技术和元件；
- 波导和光腔可增强自旋光子界面；
- 可在紧凑阵列中制造数千个T中心；
- SOI原生自旋光子界面已经是一件大事。然而，Photonic Inc新的架构理念有望带来更多。
利用色心和电信光子，Photonic的专利技术可提供计算（利用自旋量子比特）、网络（通过光子）和存储器。硅光子链路不仅能在同一芯片上的量子比特之间实现量子纠缠，还能在多个量子芯片之间实现量子纠缠。与其他类型的量子比特相比，硅基量子比特具有更强的微电子式可扩展性；事实上，Photonic的架构实现了水平扩展。Photonic的高连接量子比特架构还能使用高效量子纠错码，如量子LDPC（低密度奇偶校验）码。这些代码以极低的物理比特到逻辑比特开销和快速高效的硬件实现而著称。
对于传统架构，我们现在要问：我能用什么机制在局部相邻的计算量子比特之间形成2Q门？如何将这些计算量子比特与通信量子比特耦合？新架构从侧面解决了这些问题。
T中心的所有量子比特都没有本地连接。所有的连接都由灵活交换的光网络提供，并通过贝尔对测量（Barrett-Kok 方案）实现2Q门。建议的光开关可以放置在低温恒温器内，也可以在室温下连接多个低温恒温器。这就为具有以下特点的结构提供了可能性：
1）使用本地电信兼容链路的高模块可扩展性。这与其他技术路线所面临的挑战形成鲜明对比，即在没有波导原生量子比特和/或波长转换额外挑战的情况下生成高速率接口。
2）自然的全对全连接。可能允许使用高速率Q LDPC代码进行纠错。.这与那些提议使用二维表面代码（或其他平面代码变体）的人所面临的高开销形成了鲜明对比。

(a)Photonic的量子电路，用于将来自远处激光客户机的量子比特态加载到两个不同的量子中枢，并在两个T中心自旋之间进行非局部贝尔态测量。远程传输的CNOT（中间）由两个中枢之间的纠缠分发介导。(b) 由于两个T中心之间的CNOT是远程传输的，因此该电路可用于在通过电信光纤连接到不同低温恒温器的两个用户之间生成加密密钥

如果关键的使能组件确实能以足够的基础性能实现，那么这种架构将为实现Photonic Inc所称的可扩展容错量子计算（SFTQ）提供一条概念上简单明了的途径。

有一个伟大的量子架构蓝图是一回事。拥有构建它的组件则是另一回事。那么，Photonic公司在实现这一目标方面进展如何？
除了发表关于T中心的学术论文外，Photonic Inc.目前尚未公开发布更多细节。该公司目前不向公众开放其原型设备，也没有公开承诺开放的日期。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2311.04858

不过，公司创始人斯蒂芬妮·西蒙斯博士（Dr Stephanie Simmons）说：“我们相信，在五年内，我们将成为首家提供可扩展、分布式和容错解决方案的量子计算公司，这比公认的时间框架要早得多。”
在GQI提供的深度保密技术尽职调查报告中评估后发现，虽然西蒙斯的声明雄心勃勃，但基于一个可信的路线图。事实上，有知识渊博的量子投资者支持本轮融资，已经进一步表明了目前取得的进展。当然，Photonic依然存在着一些挑战：
- 在T中心量子比特之间实现足够高的纠缠生成率；在这种架构中，保真度和速率最终需要权衡（目标速率是保密的）。
- 在T中心量子比特阵列中实现足够高的组件产量（目标模块大小保密）。
- 大规模提供动态光开关系统，同时管理其校准和重新校准的需求（目标开关速率保密）。
- 确定具有相关通用容错门集的特定Q LDPC架构（团队目前正在研究的具体代码保密）。
- 确保用于大规模生产的硅28的来源（计划来源保密）。
如果这些要素都能实现，那么新架构就具有很高的模块可扩展性。在实现SFTQ和创建与加密相关的量子计算机之间没有明显的防火墙，这种架构应促使那些计划迁移到量子安全加密技术的人仔细重新评估他们的“合理最坏情况”——Q-day。

纠缠被许多人视为终极量子资源，为量子计算、量子密码学和量子传感带来了独特的可能性；如今，不同量子技术的支柱在操作上似乎截然不同。但重要的是要认识到，这是因为我们目前缺乏将它们统一起来所需的高性能纠缠网络技术。
在此背景下，微软与Photonic公司合作的重要性不言而喻：它将云计算和软件平台巨头的能力与潜在的关键使能硬件供应商结合在一起。
虽然T中心可用于为QPU设备提供动力，但它们为开发日益复杂的网络组件提供了更早的途径：
- 内存辅助MDI-QKD：具有提供多对一网络的潜力；- 电信波长量子中继器：实现长距离量子通信；- 纠错量子中继器：有效实现小型容错量子设备；
这种量子互联网技术有望在未来实现网络量子计算与先进量子加密协议（如盲计算）之间的模糊应用；提供从安全时间同步到分布式相干量子传感的先进功能。
微软最近关于量子网络的博文也为这一旅程提供了一个框架。从短期来看，它反映了美国国家安全局对第一代量子安全产品（如当前的QKD技术）的怀疑态度；从中期来看，微软目前对PQC的承诺与它正在投资的新量子加密机会相一致。

微软定义的量子网络的三个阶段
“如今，有几种方法可以在实验室中的含噪声的中等规模量子计算（NISQ）之间建立纠缠，因此，目前我们正处于开发量子互联网的第一阶段。”微软表示：“我们认为，要扩展真正的大型网络，就必须在现有技术的基础上使用电信波长的光子。”
微软已经制定了自己的量子计算硬件路线图。人们自然会问，微软与Photonic的新投资与合作又会对这一路线图产生怎样的影响？
我们认为，这两种架构是完全互补的。
今年六月，微软宣布了量子超级计算机的路线图，该路线图由6个阶段组成，如下所示：

迄今为止，微软团队已经完成了第一阶段“创建和控制马约拉纳”，并在《 Physical Review B》发表的题为“通过拓扑间隙协议的InAs-Al混合器件”的论文中提供了技术数据。
拓扑量子比特并不能完全消除误差。相反，微软相信它们将能显示出比其他量子模式固有的误差率小一个数量级或更多的误差率。微软目前的近期目标是展示误差率约为10^-4的量子比特：相比之下，目前最好的超导或离子阱系统的误差率大约在10^-2到10^-3之间。
微软将把这种低物理误差率与Floquet纠错码结合起来，以实现逻辑误差率达到10^-6的近期目标。到那时，他们相信就能开始利用拓扑量子计算机在某些应用中发挥量子优势了。
从长远来看，他们希望继续改进技术，使逻辑错误率达到10^-12或更高，这样他们就可以运行非常复杂的量子算法，例如肖尔算法。

微软利用稀释制冷机等低温设备在超低温下测试其量子技术

可扩展量子比特。微软公司正在为其基于拓扑量子比特的可扩展量子计算机开发硬件（例如这种半导体-超导体异质结构装置）和软件
然而，即使是构思最完美的量子计算机路线图，也仍然是高风险的冒险；追求多种选择是非常审慎的做法。拓扑量子比特路线图的时间跨度要长得多（估计可能需要10-15年，而拓扑量子比特只需要5年）。如果它能够实现，它将提供原始保真度更高的量子比特，并有可能实现更高的门速度。
目前的拓扑量子比特（或任何第三代量子比特技术）仍可能受益于T中心提供的网络组件。

这些新消息会给量子硬件领域的其他公司带来什么压力？ 
当然，无论是预见到的还是未预见到的挑战，都可能导致Photonic公司的SFTQ路线图无法实现。
即使Photonic公司的愿景得以实现，其他公司也会指出其自身架构的潜在优势。我们简单列举一下现存架构的类似规模：
- 超导电路平台将指出其目标是更高的逻辑周期时间；- 捕获离子将指向潜在的更高原始保真度；- 光量子比特将指向其自身的网络友好特性和高周期时间；- 中性原子将指出它们在没有互联的情况下可以达到的程度；- 传统硅自旋方法将指向它们承诺的密集量子比特阵列；- 金刚石NV色心将展示其室温运行的潜力。

真正的新压力可能是时间尺度。投资者对更长的路线图的耐心将大打折扣，除非它们具有超越早期FTQC的强大优势。投资者可能会看到，大型FTQC应用的投资回报期会缩短；但是，他们也会看到，那些以NISQ量子优势为目标的公司证明其价值的窗口期也会缩短。
比赛仍然是一场马拉松，但节奏已经开始加快。
参考链接：[1]https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2023/11/01/quantum-networking-a-roadmap-to-a-quantum-internet/[2]https://quantumcomputingreport.com/microsoft-and-photonic-inc-redraw-the-quantum-landscape/[3]https://thequantuminsider.com/2023/11/13/photonics-new-architecture-could-accelerate-quantum-computing/[4]https://physicsworld.com/a/democratizing-the-quantum-ecosystem-microsofts-krysta-svore-on-the-pathway-towards-a-scalable-quantum-computer/

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