使用光纖作為光量子的內(nèi)存，進(jìn)而用光量子內(nèi)存來提升容錯量子計(jì)算的量子比特?cái)?shù)目，是近年來光量子計(jì)算中興起的方向。中國的玻色量子團(tuán)隊(duì)在多年研發(fā)基礎(chǔ)上提出的「天工光量子計(jì)算架構(gòu)」[3]就采用了這樣一種方向。無獨(dú)有偶，在美國著名光量子計(jì)算公司 PsiQuantum 的方案中，也采用了這種方案。本文就根據(jù) PsiQuantum 發(fā)表的兩篇論文，解讀其可擴(kuò)展光量子通用計(jì)算方案。

說起量子計(jì)算行業(yè)的黑馬，就不得不提到 PsiQuantum。

PsiQuantum 由著名量子計(jì)算專家 Jeremy O'Brien 于 2016 年在硅谷創(chuàng)立，是美國最領(lǐng)先的量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)企業(yè)之一，主攻光量子計(jì)算技術(shù)路線，PsiQuantum 的目標(biāo)是用傳統(tǒng)的硅芯片技術(shù)流程來制造使用光量子的商用量子計(jì)算機(jī)。同時，PsiQuantum 擁有一個由世界級工程師和科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，致力于整個量子計(jì)算堆棧的研究，涵蓋了光子、電子控制，光電芯片封裝、低溫系統(tǒng)、量子架構(gòu)和容錯、量子應(yīng)用等各個方面。

根據(jù)相關(guān)公開報(bào)道透露的信息，PsiQuantum 正在研發(fā)和生產(chǎn)量子光子芯片和用于控制量子位的低溫電子芯片，并宣布與全球領(lǐng)先的專業(yè)晶圓代工廠 Global-foundries（格芯）合作，通過使用格芯公司的半導(dǎo)體制造工藝制造其量子核心組件。由于對光量子計(jì)算路線和工程實(shí)現(xiàn)能力的認(rèn)可，PsiQuantum 也是全球范圍內(nèi)完成融資金額最高的量子計(jì)算企業(yè)。

迄今為止，該公司已經(jīng)籌集總計(jì) 6.65 億美元的資金。投資商名單中不乏微軟 M12、黑石、Atomico、紅點(diǎn)、Playground Global 等一眾知名風(fēng)投?？梢?，PsiQuantum 深受資本市場的恩寵。

那么，它的量子計(jì)算研發(fā)路徑又有哪些獨(dú)到之處呢？

PsiQuantum 認(rèn)為，有用的量子計(jì)算機(jī)至少需要 100 萬個物理量子比特，以滿足容錯和糾錯的需求。因此，光量子通用計(jì)算方案的架構(gòu)及其可擴(kuò)展性是他們研究的重點(diǎn)。

2021 年，PsiQuantum 連續(xù)發(fā)表了兩篇重磅論文：Fusion-based quantum computation [1] 和 Interleaving: Modular architectures for fault-tolerant photonic quantum computing [2]，揭示了其在可擴(kuò)展通用光量子計(jì)算的基本原理以及架構(gòu)。特別在論文 [2] 中，PsiQuantum 的研究人員提出了模塊化的容錯光量子計(jì)算的架構(gòu)，第一次完整展示了其走向百萬光量子比特的技術(shù)路線，印證了新一代具備光子處理模塊，數(shù)字處理模塊和光纖內(nèi)存的光量子計(jì)算架構(gòu)的可擴(kuò)展性和先進(jìn)性。

論文 [2] 再次陳述了光子作為量子比特的不一樣的特性。在其它使用固態(tài)量子的大規(guī)模計(jì)算架構(gòu)中，如在超導(dǎo)技術(shù)路線中，量子比特一般是以陣列的方式呈現(xiàn)，可以長時間存儲量子信息，并對其進(jìn)行門操作和測量。而光量子的相干性優(yōu)異，但是飛行光子的缺點(diǎn)是易損耗，測量完之后即被銷毀。因此 PsiQuantum 此前研究了更適合光量子的容錯計(jì)算的方式，也就是 Fusion-Based Quantum Computing（基于融合的量子計(jì)算，F(xiàn)BQC）。

在光子 FBQC 架構(gòu)中，有兩個核心設(shè)備：

• 資源態(tài)生成器（resource-state generators，RSG），用于周期性生成少量光子的糾纏組成的資源態(tài)（resource state），或者說小規(guī)模的簇態(tài)（cluster state）；
• 融合設(shè)備（fusion devices），通過對兩個或多個資源態(tài)，進(jìn)行少量光子糾纏的測量，并把這些資源態(tài)融合成更大的簇態(tài)。

根據(jù)論文 [1] 中 FBQC 的工作，已經(jīng)證明了系統(tǒng)里同時存在的單光子的數(shù)量相當(dāng)于量子比特的數(shù)量，計(jì)算速度由物理的糾纏測量速度，即資源態(tài)的融合操作速率決定。所以一個動態(tài)的基于 RSG 的設(shè)備，和一個靜態(tài)量子比特設(shè)備計(jì)算能力是一致的。

圖中的 RSG 為生成環(huán)狀簇態(tài)的資源，F(xiàn) 為融合操作，1、L、L2 為人為設(shè)置的延遲周期。那么只需要一個 RSG，就可以生成 L2 個簇態(tài)

但是，有了以上兩種設(shè)備還不夠，要進(jìn)一步擴(kuò)大這種光量子計(jì)算的量子比特規(guī)模，論文 [2] 就提出了時分復(fù)用的思路，并構(gòu)建了 “光纖內(nèi)存” 這一重要模塊。如果我們用時分復(fù)用的方式，每 1ns 有一個光子進(jìn)入光纖，那么 1 公里的光纖內(nèi)存可以暫態(tài)存儲超過 5000 個光子。

低損耗光纖是光量子計(jì)算架構(gòu)中負(fù)責(zé)提供大容量量子內(nèi)存的核心部件。簡單來說一個光子在低損耗光纖里傳輸 1 公里，仍舊有超過 95% 的概率幾個毫秒后從光纖的另一端出來，這樣的損耗率可以用容錯 FBQC 來解決。

通過結(jié)合 RSG、融合設(shè)備和光纖內(nèi)存的架構(gòu)設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)具備容錯量子計(jì)算的數(shù)千個物理量子比特的計(jì)算能力。另一方面，把多個 RSG 連接成網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)完整的通用邏輯門計(jì)算。同樣的規(guī)模在靜態(tài)量子比特中，比如超導(dǎo)量子比特，需要每個 RSG 有 5000 個物理量子比特作為數(shù)據(jù)存儲才能實(shí)現(xiàn)。

這樣看來：PsiQuantum 的這一架構(gòu)與玻色量子提出的 “天工光量子計(jì)算架構(gòu)” 模塊化架構(gòu)可謂殊途同歸：RSG 等設(shè)備對應(yīng)的就是光子處理模塊部分，而融合設(shè)備等對應(yīng)的是數(shù)字處理模塊，最后都采用了時分復(fù)用的光纖作為內(nèi)存：

最后 PsiQuantum 的論文 [2] 中研究了光子 FBQC，光纖內(nèi)存和拓?fù)淙蒎e協(xié)議之間的結(jié)合，同時達(dá)到以下三個目標(biāo)：

1. 單個 RSG 比一個靜態(tài)量子位要強(qiáng)大得多。通過在低損耗介質(zhì) (如光纖) 中臨時存儲光子資源狀態(tài)，RSG 中可以同時存在多達(dá)數(shù)千個現(xiàn)有的資源狀態(tài)。這使得每個 RSG 能夠模擬數(shù)以千計(jì)的靜態(tài)物理量子比特，以實(shí)現(xiàn)容錯的量子計(jì)算。
2. 光子 FBQC 的架構(gòu)是高度模塊化和可擴(kuò)展的。大規(guī)模容錯量子計(jì)算機(jī)可以通過使用相同計(jì)算模塊組成網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)建出來。模塊由一些融合設(shè)備和宏觀光纖延遲組成，這些延遲用來做存儲器，并在模塊之間進(jìn)行連接。因此，在擴(kuò)展這樣的量子計(jì)算機(jī)時，主要的挑戰(zhàn)是構(gòu)建許多相同的 RSG，而不是一大堆靜態(tài)量子位。RSG 提供了一種替代方法，可以用來擴(kuò)大非光子物理基礎(chǔ)器件的量子比特規(guī)模，如固態(tài)量子比特等。只要能夠轉(zhuǎn)化到合適的光子，就可以將它們作為嵌入大規(guī)模光子體系結(jié)構(gòu)中的自主操作的 RSG 來使用。
3. 模塊化組件之間的宏觀光學(xué)連接可以降低邏輯操作的成本。RSG 產(chǎn)生的光子可以傳播很遠(yuǎn)的距離，而且不像傳統(tǒng)架構(gòu)那樣的受到局域約束的影響。RSG 之間的非局域連接提供了一套新的工具，能更有效地實(shí)現(xiàn)邏輯操作。