全球首台可扩展光量子计算机面世，预计将部署数千台服务器

近日，一家名为 Xanadu 的加拿大初创公司打造出一台名为 Aurora 的基于光子的量子计算机，其能在室温下运行，未来有望用于药物发现以及打造更节能的机器学习算法，相关论文已发表在Nature

该公司表示，这一量子计算机的成功打造“标志着实现实用级量子计算的关键里程碑”。

Xanadu 的 CEO 兼创始人克里斯蒂安·韦德布鲁克（Christian Weedbrook）在一份声明中表示：“该行业面临的两大挑战是提高量子计算机的性能（纠错和容错）和可扩展性（网络）。Xanadu 现在已经解决了可扩展性问题。”

据介绍，这款量子计算机由 35 个光子芯片和长度为 13 公里的光纤组成，并分布在 4 个服务器机架上，这些服务器机架能够实现光互联和联网。

在打造这台量子计算机时，该公司使用这些芯片构建了一个量子计算机的亚性能尺度模型，以便证明其功能性和可行性。

期间，该模型将所有原始组件组合为离散的、可扩展的机架部署模块。通过光纤互连联网，累计 84 个压缩器和 36 个光子数分辨探测器能在每个时钟周期提供 12 个物理量子比特模式。

该公司表示，本次量子计算机合成了跨芯片纠缠、含 864 亿模态的簇态，并展示了其能实时解码和实现“层状距离 -2 重复码”（foliated distance-2 repetition code）的能力（注：“层状距离-2 重复码”是一种量子纠错方面的特定编码方式）。

截至目前，任何能够落地的量子计算应用都需要至少数千个量子比特，甚至可能需要一百万个量子比特。

于 2024 年首次亮相的谷歌量子计算机 Willow 有 105 个量子比特（全部构建在单个芯片上），而于 2023 年首次亮相的 IBM 的 Condor 量子计算机有 1121 个量子比特。

相比之下，Xanadu 公司的量子计算机仅仅需要 12 个量子比特。与此同时，其建立在服务器机架上，这让其规模非常容易被扩展。

五年内已发布 3 篇量子相关Nature论文

为了打造本次量子计算机，该公司的硬件和架构团队融合了光子芯片设计、封装、电子和系统设计与集成等技术。

同时，他们还对本次量子计算机进行了一系列严格的基准测试。在其中一次测试中，他们让本次量子计算机连续运行两个小时。

值得注意的是，本次量子计算机使用的芯片基于商业可用的制造平台。与此同时，这些平台并没有针对这款量子计算机进行专门优化。

同时，本次量子计算机基于该公司之前的成果打造而来。2021 年，该公司在Nature发文介绍了一款名为 X8 的系统。2022 年，该公司又在Nature发文介绍了一款名为 Borealis 的系统。这两款系统的核心技术均被用于本次量子计算机之中。

据介绍，Aurora 采用模块化设计，由四个相似的单元组成，每个单元安装在比人体略高和略宽的标准服务器机架中。

由于 Aurora 是一台基于光子的量子计算机，这意味着它需要使用光子量子比特来处理数字，即根据算法来使用透镜、光纤和其他光学元件，并在多个芯片上组合和重组激光束。

不过，该公司使用了一种独特的设计方式：让量子计算机执行的算法答案对应于每个激光束中的最终光子数。这种方法不同于其他公司的做法，比如谷歌和 IBM 都是利用超导电路的特性来编码信息。

据该公司介绍，本次量子计算机的服务器也无需像超导量子计算机那样保持低温，所以在研发时无需使用太多低温技术。

不过，尽管服务器机架可以在室温下运行，但是光子计数探测器仍然需要在另一个房间进行低温冷却。

无论如何，本次量子计算机的成功打造，都展示了专用模块化方法的有效性。这种模块化组件的组合表明，构建一台具备纠错功能的通用光子量子计算机所需的主要要素均已齐备。

此外，该公司所使用的架构以及对于稳健量子比特态的运用表明：在量子时钟频率和经典硬件控制所设定的严格限制条件下，诸如量子门操作、实时纠错和解码等关键量子计算过程是具备可行性的。

量子计算机的前景在于，它可以比传统计算机更快地运行计算，并能解决一些目前无法解决的挑战。但是，目前量子计算机的用途十分有限，原因之一便是因为它无法扩展。

当数据在任何两个设备（无论是量子设备还是其他设备）之间移动时，并非所有信息都能传输。对于浏览互联网来说，这不是什么大问题，但对于量子计算来说这是一个特殊的挑战，因为它必须在整个系统中保持纠缠，即粒子就算相距很远也能保持连接状态。

正因此，将量子计算机联网是该领域实现“量子互联网”愿景的关键。假如这一愿景可以成真，那么不同的量子设备就可以实现相互通信。

正因此，对于本次成果美国东北大学量子计算研究员德维什·蒂瓦里（Devesh Tiwari）给予高度评价，他将 Xanadu 的进展比作建造酒店。其表示：“他们已经建好了一个房间，我相信他们还能建多个房间，但我不知道他们能否一层一层地建。”

与 IBM 的 Condor 量子计算机所需要的 1121 量子比特相比，Xanadu 的 12 个量子比特似乎微不足道。但是，光子量子计算机的量子比特对于环境噪声不是那么敏感，这使得它们更容易长时间地保留信息。同时，通过传统光纤来连接光子量子计算机在操作上也更加简单。

将在 2029 年建立量子数据中心，预计将拥有数千台服务器

另据悉，Xanadu 的 CEO 兼创始人克里斯蒂安·韦德布鲁克（Christian Weedbrook）本科和博士均毕业于澳大利亚昆士兰大学，先后学习物理学和量子专业。后来，他分别在美国麻省理工学院和加拿大多伦多大学从事博士后研究。

在多伦多大学从事博士后期间，在多伦多大学罗特曼管理学院 Creative Destruction Lab 种子期加速器的帮助之下，韦德布鲁克创办了 Aurora。

目前，Xanadu 拥有 220 名员工，已从 Georgian Partners、OMERS Ventures 和 Radical Ventures 等投资者那里筹集了 2.41 亿美元。此外，加拿大联邦政府的旗舰战略创新基金还为 Xanadu 提供了 4000 万美元的融资。

未来，Xanadu 的目标是在 2029 年建立一个量子数据中心，预计该数据中心将拥有数千台服务器，其中包含 100 万个量子比特。

然而，在实现上述目标之前，Xanadu 必须达到另一个重要的量子里程碑——实现容错性。所有计算机都会出错，但由于物理和硬件的原因，量子计算机比传统系统更容易出错。

这意味着它们运行的复杂算法可能会产生不准确的结果，而且运行时间越长，风险就越大。

当前，量子计算公司都在试图制造出出错更少的设备，并希望编写能够发现错误和修复错误的代码。

韦德布鲁克表示，Xanadu 在过去一年半中显著提高了芯片和其他光学部件的性能，但必须让它们变得更好才能实现容错性，同时还需要降低硬件成本。

弄清楚如何将数千个服务器机架连接在一起形成一台巨型量子计算机是一项艰巨任务。不过，“隧道尽头的光芒越来越亮了。”他说。

与此同时，为了推进其量子计算硬件的研发，该公司还打算再融资 1 亿美元至 2 亿美元。

此外，Xanadu 并不是唯一一家追求光子量子计算机的公司。包括美国的 PsiQuantum 公司和法国的 Quandela 公司，他们都在使用中性原子和离子等材料来构建量子系统。

未来，可能并没有单一的量子比特类型会成为“赢家”，但是某些量子比特或许更加适合特定的应用。

参考资料：

https://www.technologyreview.com/2025/01/30/1110672/this-quantum-computer-built-on-server-racks-paves-the-way-to-bigger-machines/

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08406-9

https://xanadu.ai/blog/lighting-up-the-quantum-computing-horizon-with-aurora

https://betakit.com/xanadu-claims-breakthrough-with-new-photonic-quantum-computer-aurora/

排版：刘雅坤