加州公司打造量子光芯片，称已实现全球性能最高的光子量子比特

当地时间 2 月 26 日，美国加州量子初创公司 PsiQuantum 发布一款专为实用规模量子计算打造的量子光子芯片组，该芯片组的名字叫做 Omega。同日，相关论文发表在Nature上。该公司表示基于 Omega 芯片组，其将力争在 2027 年实现商业量子计算机。

PsiQuantum 公司在上述Nature论文中展示了高保真度的量子比特操作，并展示了一种长距离芯片间的量子比特互联。基于 Omega 芯片组，PsiQuantum 公司在距离长达 250 米的情况下实现了高保真度的量子互联。

通过克服芯片背景噪声和低温操作，PsiQuantum 公司实现了相对不错的电路性能。测量结果显示：单量子比特态制备和测量的保真度达到 99.98%，双光子量子干涉可见度达到 99.5%，芯片间量子互联的保真度达到 99.72%。

“硬件的可制造性和连通性是我们产品的独特亮点，”该公司的 CTO 兼联合创始人马克·汤普森（Mark Thompson）教授说道，“我们的技术是在一个通常为手机和笔记本电脑生产芯片的大规模半导体制造厂中进行生产的，如今这个制造厂生产出了世界上性能最高的光子量子比特。我们可以使用常规光纤无缝连接芯片，这使我们能够快速扩大系统的规模，从而打造出真正强大的量子计算机。”

据了解，Omega 芯片组由 PsiQuantum 公司设计，并由美国格芯公司制造，其采用格芯公司的 45nm 工艺，实现了与标准半导体相匹配的制造良率。

PsiQuantum 公司的方法基于使用单光子——即光的粒子，然后利用原本是为电信和数据中心网络应用而开发的硅光子芯片技术，来针对这些单光子进行操控。

Omega 芯片组基于融合的量子计算支持容错协议，该协议能够容忍从光子发射到检测过程中大约 10% 的累积光学损耗，融合网络中每个量子比特的误差大约为 1%。

对于此前已有方法而言，人们很难用其实现芯片间的互联。而光子量子计算机所具备的优势在于：光子量子比特能够利用标准电信光纤进行联网，无需在不同模式之间进行转换。

在制备 Omega 芯片组时，PsiQuantum 公司针对一组基于单片集成硅光子学的模块进行基准测试。据该公司介绍，这些模块能够用于产生、操控、联网以及探测先导光子量子比特。

同时，其还通过干涉测量法针对光子进行操控，以及通过调节光子特性来控制不需要的光。

另外，PsiQuantum 公司也展示了完全集成的电路，这些电路能够实现光子量子比特的高可见度干涉、分发和测量功能，所有功能的误差水平均在百分之一以下。

其所使用的组件，在布局上具有高度的可配置性，这使得该系统能够适用于不同类型的量子计算机架构、不同的量子技术应用以及不同光子技术。通过利用光纤该系统能以极低的损耗实现芯片连接，因此该系统在大量光子芯片上具备较好的技术可扩展性，并能实现不同系统之间的联网或连接。

要想真正地实现量子应用，PsiQuantum 公司认为必须将性能提升到远超此前最高水平。为此，它在生产中引入了新材料，包括使用用于高效单光子探测的超导材料，以及使用由该公司自研自产的钛酸钡（BTO，Barium Titanate）材料。

其中，钛酸钡材料能够用于低损耗的高速光开关。通过使用新材料、新设计和新工艺，PsiQuantum 公司实现了先导光子源和超导单光子探测器的量产。

Nature论文中，PsiQuantum 公司还预先展示了一些其他技术。比如，其展示了能够用于解决损耗问题的低损耗氮化硅波导及元件，也展示了对于制造工艺容忍度较高的单光子源的光子数分辨探测器，还展示了低损耗的芯片-光纤耦合技术。

集毕生之力，打造真正有用的量子计算机

二十多年前，PsiQuantum 公司的创始团队在澳大利亚布里斯班首次进行利用单光子实现双量子比特逻辑门的实验室演示，借此发明了集成量子光子学和“融合型”量子计算技术，并于 2013 年通过云平台提供了量子处理器原型。自那时起，该团队致力于实现构建高性能的规模化百万量子比特级系统。

在 Omega 芯片组面世以前，PsiQuantum 公司还提出过一种全新的量子计算机冷却方案，在这一方案中它摒弃了标志性的“吊灯式”稀释制冷机，转而采用一种更简单、更强大且更易于制造的箱式设计。

对于这种设计方案来说，它与数据中心的服务器机架更为接近。目前，这种方法已经在 PsiQuantum 公司的英国工厂投入使用。凭借这些进展，该公司已经掌握了制造和冷却大量量子芯片的技术。

PsiQuantum 公司的 CEO 兼联合创始人杰里米·奥布莱恩（Jeremy O’Brien）教授说：“25 年来，我一直坚信，为了能在有生之年打造一台有用的量子计算机，我们必须找到一种方法，充分利用半导体行业无与伦比的能力。这篇论文证实了我的这一信念。”

首席科学官兼联合创始人皮特·沙德博尔特（Pete Shadbolt）则在该公司的技术博文中表示：“Omega 芯片组所实现的成就，让我们研究的意义已经超越了一个科学项目的范畴，在我们创立 PsiQuantum 公司之前，我和我的联合创始人在大学实验室里摆弄几个量子比特，但我们当时就知道我们所使用的平台存在严重不足，我们非常明白我们需要数百万个量子比特，并且知道这意味着要让成熟的晶圆厂，将原本不太可能组合在一起的组件集成到一个平台上，同时要攀登在当时看起来几乎不可能达到的性能曲线。看到团队执行十年前的那些计划时真是令人惊叹，现在我们手中拥有了将用于构建首个具有商业用途的系统的技术，这非常令人兴奋。”

四位联合创始人均曾在英国工作，公司估值已达 31.5 亿美元

据了解，PsiQuantum 公司曾告诉媒体，其在 2023 年的估值已经达到 31.5 亿美元。与此同时，该公司一共拥有四位联合创始人，他们几乎全部是学者身份出身。

杰里米·奥布莱恩（Jeremy O’Brien）教授是 CEO 兼联合创始人。在创业之前，他曾在美国斯坦福大学和英国布里斯托尔大学任教。目前，其 h 指数为 90，截至发稿其论文已被引用 44662 次。

特里·鲁道夫（Terry Rudolph）是总架构师兼联合创始人。此前，他在英国帝国理工学院担任教授。在 2004 年-2015 年期间，他写了四篇学术论文，借此建立了光子量子计算的理论方法，构成了进一步发展当前量子体系结构的基础。

皮特·沙德博尔特（Pete Shadbolt）博士是首席科学官兼联合创始人，其博士毕业于英国布里斯托尔大学，读博期间他基于量子处理器演示了第一个变分量子特征解决器和第一个公共应用程序接口（API，Application Programming Interface）。

马克·汤普森（Mark Thompson）教授是 CTO 兼联合创始人。此前，他曾先后在东芝公司、英国剑桥大学和英国布里斯托尔大学任职。

综合来看，本次 Omega 芯片组的成功打造以及相关Nature论文的发表，标志着该公司迎来了里程碑的进展。

但是，PsiQuantum 公司表示仍然需要针对 Omega 芯片组进行改进。比如，要进一步减少 SiN 材料和组件损失，要提高滤波器性能和提高探测器效率，以便推动整体光子损失和保真度进步。

此外，其还将力争实现低损耗的 N×M 快速开关以便构建多路复用光子源，以及将实现超高损耗芯片- 光纤边缘连接的重复对准和封装。

同时，其也将提高光子设计的精准度和稳健性，尽量减少通过加热器进行调谐和微调的需求，从而进一步降低低温环境下的热负荷。

与此同时，PsiQuantum 公司目前的重点是将 Omega 芯片组通过机架间的连线连接起来，从而构建规模日益庞大的多芯片系统。眼下，该公司正通过与美国能源部合作来推进此项工作。

另据悉，PsiQuantum 公司将于 2025 年在澳大利亚布里斯班和美国芝加哥两地，分别破土动工两个量子计算中心。通过这两个量子计算中心，其计划部署第一个实用规模的百万量子比特系统，并建造该公司第一台公用事业规模的量子计算机。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08820-7

https://www.reuters.com/technology/startup-psiquantum-says-it-is-making-millions-quantum-computing-chips-2025-02-26/

https://www.psiquantum.com/about

运营/排版：何晨龙