全球首台！可扩展光量子计算机原型问世

据科技日报2月6日消息，加拿大Xanadu量子技术公司开发出全球首台可扩展光量子计算机原型。该公司在最新一期《自然》杂志上发表文章详细介绍了其设计和构建过程，并展示了该原型机如何能够灵活扩展至所需规模。这项突破为未来大规模量子计算的发展奠定了重要基础。

研究人员采用了模块化设计理念来构建这台量子计算机。初始阶段，他们构建了一个包含少量量子位的基本单元，适用于最基础的应用场景。随着需求增长，可以通过添加更多相同类型的单元来扩展计算能力。这些单元通过网络协同工作，共同构成一台大型计算机。每个新增的单元或量子服务器机架都会增加整体处理能力。

系统和主要模块示意图。（图片来源：英国《自然》杂志）

研究人员指出，数千个这样的单元可以通过光纤电缆连接，从而创建具有巨大处理能力的大型量子计算机。由于整个系统基于光子技术，因此无需将光子组件与传统电子组件结合使用。

为了验证这一理念，研究人员构建了一个由四个服务器机架组成的原型系统。该系统用84个压缩器，形成了一个拥有12个物理量子位的计算机。其中，第一个机架配置了输入激光器，而其他三个机架则包含了五个主要子系统：量子位生成源、量子位存储缓冲区、用于提高质量和产生纠缠态的优化系统、辅助纠缠和聚类的路由系统，以及执行最终计算任务的量子处理单元。特别的是，由于系统完全基于光子技术，所以它能够在室温下运行，不需要冷却设备。

研究人员通过创建一种独特的纠缠态，测试了系统的性能。实验结果令人满意，表明该系统不仅能执行复杂的大型计算任务，而且具备高度的容错性。该成果不仅展示了量子计算的巨大潜力，还为未来技术发展提供了新的方向和可能性。

Xanadu表示，量子计算机一直面临提高性能(纠错和容错)、可扩展性(网络)两大问题，现在他们已经解决了后者。

Aurora光量子计算机采用模块化设计，配备35颗光子芯片，连接光纤长度达13公里，它们分为四个相似的单元，分布在4台机架服务器上，可实现光互联与联网。

通过光纤互连联网，多达84个压缩器、36个光子数分辨探测器，能在每个时钟周期提供12个物理光子量子比特模式。

他们计划2029年建立第一个量子数据中心，包含数千台服务器、100万个量子比特。

图片来源：视觉中国-VCG41N1309760279

另外，美国PsiQuantum、法国Quandela等也都在研究光量子计算机。

据科普中国，2023年10月11日，国际知名物理学术期刊《物理评论快报》刊登了中国研究团队在光量子计算领域的最新研究成果。

来自中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院的潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等人组成的光量子计算研究团队，与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心共同合作，成功构建了255个光子的光量子计算原型机“九章三号”，再次刷新了光量子计算机中可控光子数目的世界纪录。

“九章三号”的《物理评论快报》期刊封面（图片来源：《物理评论快报》网站）

“九章三号”是在之前“九章”系列光量子计算原型机的基础上，进一步发展成熟而来的最新型号，代表了当前光量子计算领域的最高技术水平。

研究结果表明，相较于之前仅有113个光子操纵能力的“九章二号”量子计算原型机，具有255个光子的“九章三号”在处理“高斯玻色采样”这一特定的复杂问题上，运算速度提升了大约一百万倍。

因此，“九章三号”不仅提高了光量子计算机求解复杂问题的能力，还创造了量子计算优越性的最新世界纪录，为最终研制真正实用化的通用量子计算机提供了坚实的技术支撑。

光量子也称为光子，能够以光速来传递电磁相互作用，其最早在1905年由阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出，并且在1926年被美国科学家吉尔伯特·路易士（Gilbert Lewis）正式命名。

现今生活中，我们所接触到的电脑和计算器等电子设备，仍然属于经典计算机的范畴。随着经典计算机的算力不断接近摩尔定律的极限，只是单纯增加经典计算机的处理器数量，越来越难以适应未来庞大的数据运算需求。

而量子计算机不同于经典计算机，它采用量子力学理论中的并行计算特性，来拥有更加高效的运算性能。

每日经济新闻综合科技日报、科普中国