模块化是量子计算的未来

多年来，量子计算公司一直争相将尽可能多的量子比特压缩到芯片上。但制造和连接的挑战表明这一战略存在局限性。现在的重点是将多个量子处理器连接在一起，构建大型实用计算机。

2025年1月，加拿大量子计算公司Xanadu公布了该公司声称的第一台模块化量子计算机。Xanadu的方法是将光子作为量子比特，这是建造量子计算等效经典比特的多种方法之一。在英国《自然》杂志发表的一篇论文中，该公司的研究人员介绍了他们如何通过13千米长的光纤，连接4个服务器机架的35个光子芯片，打造一台名为Aurora的12量子比特量子计算。虽然现在的量子计算机有更多的量子比特，但Xanadu公司表示，该设计展示了模块化架构的所有关键组件，可以扩展到数百万量子比特。

如今，Xanadu不是唯一专注于模块化的公司。IBM和IonQ都在着手连接其量子处理器，IBM希望在2025年晚些时候展示其模块化装置。几家初创公司也在开辟利基市场，为这种转变提供所需的支持技术。

Xanadu公司的首席执行官克里斯蒂安·韦德布鲁克（Christian Weedbrook）表示，大多数公司早就认识到了模块化是扩大规模的关键，但到目前为止，他们优先考虑的还是开发核心量子比特技术，并普遍认为这是更大的技术挑战。现在，实用的芯片已经近在眼前，最大的处理器拥有超过1000个量子比特，他认为，重点正在转移。

“要实现100万个量子比特……就不能把它们都放在一块芯片上。”韦德布鲁克说，“唯一能够真正扩大规模的方法就是这种模块化联网的方式。”

Xanadu公司采取了一种非传统的方式，该公司首先关注的是可扩展性问题。与IBM和谷歌使用超导量子比特进行量子计算不同，该公司依靠光子进行量子计算的一大优势是机器能够与传统网络技术兼容，可以简化连接。

但是，将Aurora用于计算并不可靠，由于光损耗高，光子在通过光学元件时会被吸收或散射，导致差错。Xanadu公司的目标是在未来两年内开发更好的组件并优化架构，最大限度地降低损耗。该公司还计划在2029年开始建造一个量子数据中心。

IBM预计将在2025年实现模块化量子计算的一个重要里程碑。该公司设计了一个名为“Flamingo”的462量子比特处理器，该处理器内置量子通信链路。IBM计划2025年晚些时候连接3个处理器，建造迄今为止最大的量子计算机。

IBM Quantum的首席技术官奥利弗·戴尔（Oliver Dial）表示，模块化一直是IBM量子路线图的核心。该公司在打造容纳更多量子比特的处理器方面经常处于领先地位，但芯片尺寸是有限的。戴尔说，组件越大，连接控制电子器件的挑战性就越强。用更小的可测试和可替换的组件来构建计算机可以简化制造和维护流程。

然而，IBM正在使用超导量子比特，虽然这种量子比特运行速度快、相对容易制造，但与其他量子技术相比，其网络友好性较差。这些量子比特在微波频率下工作，因此不易与光纤通信连接，这需要IBM开发专门的耦合器来连接相邻芯片和较远的芯片。

IBM也在研究量子转导，即将微波光子转换为可以通过光纤传输的光频。但戴尔说，目前演示的精确性还远远达不到要求，因此转导还没有被列入IBM的正式路线图。

基于离子阱和中性原子的量子比特能够直接与光子相互作用，使光网络更具可行性。2024年10月，IonQ展示了在不同的处理器上纠缠离子阱的能力。每个芯片上与离子纠缠在一起的光子通过光纤电缆传输，在贝尔态分析仪上相遇（在该设备上，相同的光子也会纠缠在一起）。这使得最初与光子纠缠的离子通过一种称为纠缠交换的过程彼此连接了起来。

IonQ系统架构和性能部门资深总监约翰·甘布尔（John Gamble）说，要将其扩展到连接众多量子处理器，将需要大量工作。贝尔态分析仪要实现小型化，使用集成光学器件制造。光纤是有噪声的，这意味着通过这些信道产生的纠缠质量相对较低。IonQ计划生成许多弱纠缠的量子比特对，通过操作提炼出数量较少、质量较高的纠缠。但要达到质量足够高的纠缠率仍然是一项挑战。

法国初创公司Welinq解决这个问题的方法是在互连中加入量子存储器。该公司的首席执行官汤姆·达拉斯（Tom Darras）表示，通过光子互连的纠缠效率低的一个原因是，两个光子经常在不同时间发射，所以它们会彼此“错过”，无法纠缠。增加一个存储器就可以创建缓存，帮助同步光子。

将多个处理器连接起来以后，挑战就转变成了在它们之间运行量子算法。因此Welinq公司开发了一种量子编译器，名为araQne，它可以决定如何在多个处理器上对算法进行分区，同时减小通信开销。

最近，牛津大学的研究人员在这方面取得了突破，首次令人信服地展示了在两个互连的处理器上运行量子算法。

最后一个问题是解决如何修订纠错方案，使其适应新的模块化未来。最近，初创公司Nu Quantum证明，分布式量子纠错不仅可行，而且高效。

Nu Quantum的首席执行官卡门·帕拉西奥斯-贝拉奎罗（Carmen Palacios-Berraquero）说：“这是一个非常重大的成果，这是分布式量子计算和模块化首次真正成为一种选择。以前，我们不知道如何以容错的方式实现，不知道它是否有效或者是否可行。”

文章来源于 悦智网 ，作者 Edd Gent

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