光量子先锋！PsiQuantum能否率先进入百万量子比特时代？
摘要：量子前哨与中关村产业研究院联合创作，针对全球范围内的量子信息科技，尤其是量子计算产业化方面的国家政策、技术脉络、活跃企业以及知名科学家等内容，进行系统性的介绍，以飨读者。这是此系列文章的第九篇。
说起量子计算行业的黑马，很多人会想到PsiQuantum，这家2016年成立于硅谷的量子计算公司，在短短5年内获得了超过5亿美元的投资，投资商名单中不乏微软M12、黑石、Atomico、红点、Playground Global等一众知名风投。PsiQuantum究竟有何魅力独得资本市场恩宠？它的量子计算研发路径又有哪些独到之处呢？
光量子是百万量子比特的唯一答案
2020年4月，PsiQuantum获得微软旗下M12风投所领投的2.15亿美元巨额单笔投资，在此之前，这家总部在硅谷的创新公司鲜为人知，颇具神秘之风。据有限的公开资料表明，PsiQuantum研究量子计算机采用技术路线与谷歌、微软、IBM、霍尼韦尔等巨头玩家不同，他们没有走超导和离子阱路线，而是要建造一台基于光量子的商用量子计算机。
早在2009年，公司创始人Jeremy O'Brien便在期刊Nature Photonics发表论文，阐述了编码光子实现量子计算的路径，他此后也一直专注于基于硅基芯片的单光子量子比特制备。PsiQuantum相信，硅光量子是实现纠错、容错的百万量子比特通用量子计算机的唯一路径。
概括来说，PsiQuantum将数十个量子芯片嵌入一个传统硅芯片，通过微小的反射镜相交，光子沿着芯片上的路径传播，反射镜将光子“反弹”到纠缠状态，以此进行计算，该技术将能够把100万个量子比特建立连接，在其中能提取出100到300个纠错量子比特。公司联合创始人曾在采访中透露：“我们可以用一个非常具体的结构，为许多光子量子位建立一个大的分布纠缠态，再通过使用单光子探测器测量这些量子位单元，我们可以实现任何门序列，并运行量子算法。”
PsiQuantum的光量子芯片构造
（图片来源：PsiQuantum官网）
PsiQuantum表示，与竞争对手相比，这种方法有两个主要优势，一个是硅光芯片可以使用现有的半导体制造设备制造，从而大大简化了制造过程，这对于快速实现商业化量产是一个极其重要的因素；另一个优势便是使用光子和光缆将多个光子芯片联网在一起，优于传统光量子计算的可扩展性。
2017年起，公司与世界三大硅片制造商之一，美国半导体代工公司Global Foundries（格芯）达成合作，在其位于纽约北部的两家300mm晶圆厂安装了专有生产和制造设备，以生产数千个Q1硅光芯片，并在位于德国的代工厂生产先进的电子控制芯片，PsiQuantum相信现有的先进半导体制造设备和专业的代工可以帮他们更快实现商业化，希望可以打造全球首台可扩展的商用量子计算机。
事实上，光量子因其相干性好、相干时间长的重要优势，已获得业内主流观点认可，中国的“九章”量子计算原型机也是基于光量子构建的。但因为光量子与环境的相互作用弱，对光子的有效操控是一个很难解决的技术难点，令许多量子计算团队望而却步。国内外解决这一难点的思路有很多，其中一种思路就是斯坦福大学与日本运营商NTT的合作项目：打造相干伊辛机（Coherent Ising Machine）。这是一种结合光和电处理能力的量子计算机，其工作方式类似用人工磁体组成的可编程网络，每个磁体的状态只能“向上”或者“向下”，网络整体会倾向于在低能量状态工作。
相干伊辛机使用了一种特殊类型的激光系统来模拟磁场机制，通过电路模拟激光脉冲之间的光学连接来编程问题，而计算仍然由激光系统完成。这种技术路线更容易实现百万量子超大规模，而且它允许变量间以任意的方式连接，具有广泛的可编程性和适配性。随着PsiQuantum硅光芯片、相干伊辛机等解决方案的发展成熟，未来光量子的难以操控性和不可扩展性将不再是商业化的障碍。
做且只做百万量子比特
除诱人的商业化前景外，PsiQuantum在资本圈格外吃香的重要原因，还在于它的明星创始团队。公司的联合创始人兼首席执行官杰里米·奥布莱恩（Jeremy O'Brien）是新南威尔士大学量子技术博士, 曾任布里斯托大学量子光子学中心主任，曾前往日本大阪大学访学并在NTT担任研究员，其研究组最先在硅基光学芯片上演示了多个量子算法、量子态的调控等，是量子集成光学领域的执牛耳者。公司的联合创始人兼首席架构官特里·鲁道夫（Terry Rudolph） 是著名的量子理论家和诺贝尔奖得主薛定谔的孙子，他本人也在量子物理学研究领域颇有建树，目前在伦敦帝国理工学院担任量子物理学教授；公司目前团队规模近200人，其中研发工程师超过70%。
联合创始人兼首席执行官杰里米·奥布莱恩（Jeremy O'Brien）
（图片来源：PsiQuantum官网）
领先的实力促成更大的野心，在大部分玩家还专注于验证量子霸权、NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum，含噪声的中型量子器件）等里程碑，并探索其商业化应用的同时，PsiQuantum表示他们有且只有一个目标：实现100万量子比特规模，可纠错、容错的通用量子计算机。
一方面，多数业内人士对这一豪言壮志持怀疑态度，毕竟走可扩展性好的超导技术路线的巨头玩家谷歌、IBM等目前所实现的量子比特数仅数十个。另一方面，PsiQuantum、NTT等玩家独树一帜的解决方案，又让业界对光量子技术路线的发展速度有了新认识。
PsiQuantum优势总结
（图片来源：Jeremy O'Brien公开演讲）
用创始人Jeremy的话总结PsiQuantum技术路径的独特之处，便是当所有人都在忙着扩展量子进程的时候，他们选择了一个可扩展的（半导体制造）进程，并利用它制造量子。
商用之路，道阻且长
即使PsiQuantum在过去的一年中，尤其是与Global Foundries的战略合作中，取得了大量的重要进展，这些进展甚至可能显著加快整个硅光芯片行业的发展；与此同时，公司也已与制药、清洁能源、航空航天、运输、金融和高科技等各行各业的潜在客户合作探索硅光量子计算机的应用；但仍然不可否认的是距离百万量子比特的通用量子计算机问世还有很长一段路要走。
根据Jeremy的介绍，公司的最终目标不会在短短几年内得以实现，产品的规模也将与数据中心或超级计算机相仿，但PsiQuantum的阶段性进展更大的意义在于证明了可以使用现有先进半导体晶圆厂的标准制造工艺在硅芯片上构建量子计算机的关键部件，这将为整个行业带来新的思路。
近期，PsiQuantum将专注于与GlobalFoundries携手开发其第一台大规模光子量子计算机Q1。公司希望到2025年，它们能首先搭建出组装量子机器所需的所有生产线和流程。
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