在晶圆厂里造量子计算机的工程豪赌

► 文 观察者网心智观察所

2026年6月17日，量子计算公司PsiQuantum位于澳大利亚摩顿湾的工厂正式破土动工，这家公司计划在这里建造全球第一台公用事业级、容错的光子量子计算机。他们还有一个更大胆的目标：在2027年底前，实现全球首台百万量子比特级量子计算机的商业化上线。这台量子计算机的核心芯片是硅光芯片，无需在实验室里手动打磨，可在晶圆厂里批量印刷，和手机里用于数据传输的光模块用的是同一套标准半导体工艺、同一条大批量流水线。PsiQuantum正在把量子计算机从实验室里搬出来，将之变成一种可由半导体工厂批量制造的工业品。

2025年2月26日，PsiQuantum正式发布了名为Omega的光子芯片组，它是一整套包含单光子源、光路干涉网络、单光子探测器和高速光开关的完整平台，这一切全部集成在300毫米晶圆上，由格罗方德（Global Foundries）的标准45纳米半导体产线制造。就在同一天，PsiQuantum在《Nature》上发表了题为《光子量子计算的可制造平台》的论文，首次向世界展示这套技术的全貌，核心结论只有一句话：所有组件都能以极高的产量在标准半导体生产线上制造。Omega芯片组已经准备就绪，可进入大规模生产，格罗方德正在纽约工厂生产数以百万计的Omega量子芯片。从2026年6月17日这天起，澳大利亚摩顿湾的工地上开始搭建一个工业级的量子计算组装厂，即将在工厂里把Omega芯片装进低温机柜，用光纤连起来。

光子路线

目前主流的量子计算机路线，无论是超导路线还是离子阱，都面临一个物理死结：要做出逻辑门（量子门），两个量子比特之间必须产生纠缠，而纠缠的前提是可控的相互作用。但问题在于，任何能与比特发生作用的东西，包括环境，都会带来噪声。相互作用越强，环境噪声就越容易导致量子态坍缩。超导路线的相互作用靠电磁耦合，离子阱靠库仑力，它们都必须在‘做强门’和‘隔绝噪声’之间走钢丝，比特越多，钢丝越细。

与Google和IBM不同，PsiQuantum选择了一条完全相反的路径。它的量子比特不是超导电路，也不是禁闭离子，而是光子。光子的好处是几乎不与环境发生任何作用，在光纤里可以跑上几十公里而不丢失信息，噪声极低，适于量子通信。但也带来了一个致命问题：光子之间几乎没有相互作用。没有相互作用，就没法做逻辑门，也就没法计算。光子路线没有强行让光子相互作用，而是通过精心设计干涉和测量来间接制造纠缠。

第一步是制造光子。在硅光芯片上，有一种叫做微环谐振腔的结构，是一个圆环形的波导。一束强激光打进这个微环，会发生一种叫自发四波混频的非线性光学效应。两个注入其中的激光光子消失，同时产生一对相互关联的新光子，一个叫信号光子，一个叫预告光子。看到预告光子，就知道信号光子同时存在。这个过程是概率性的。每次打一束激光脉冲进去，只有百分之几的概率能成功产生一对光子。失败了，下一轮就继续，芯片每秒可以进行数亿次这样的尝试。当芯片上的超导单光子探测器捕捉到预告光子时，系统就知道信号光子已经在路上了，准备接收。

第二步是干涉。假设两个独立的光子源各自成功产生了一个信号光子，此时两个光子完全独立，没有任何关联。让这两个光子在一个分束器上相遇。分束器是一面半镀银镜，光子打上去，有50%概率穿透它，50%概率被反射。当两个完全相同（同波长、同相位、同偏振）的光子同时到达分束器的两个入口时，会出现和经典物理完全不同的情况。在量子力学中，相加的不是概率，而是概率幅。经过严格计算，。“一个光子从左边的出口出去，另一个从右边的出口出去”的两个概率幅相互抵消为0，而“两个光子一起从左边的出口出去”和“两个光子一起从右边的出口出去”的概率幅保留下来，各占50%。这就是洪-欧-曼德尔效应。两个相同的光子不会各走各路，永远“抱团”从同一个出口出去。

第三步就是“后选择测量”。到此为止，两个光子只是“抱团”了。如果它们一起从左边出去，或者一起从右边出去，这只说明它们的位置有关联，它们之间确实产生了空间纠缠，但还不足以用来做计算。 PsiQuantum不让两个光子同时到达分束器，而是稍微错开一点点时间或相位，破坏完美的洪-欧-曼德尔干涉。这样以来，除了“两个一起左”和“两个一起右”，还会出现少量的“一个从左出、一个从右出”的情况。然后探测器仅仅盯住一种结果：一个从左出、一个从右出，其他结果统统排除。

恰恰是这种不完美的结果，才是真正的计算资源。为什么？因为，在干涉之前，光子A和光子B各自携带原来的状态，可能是逻辑0，也可能是逻辑1。这两个状态是独立的，不同的逻辑对应不同的入口。在干涉过程中，所有“两个光子逻辑不同”的入口组合被量子干涉删除了。当探测器看到“一个从左出、一个从右出”的那一刻，出口位置的波函数坍缩，逻辑态没有坍塌，剩下的可能性只有两种：两个光子原本都是逻辑0，或者两个光子原本都是逻辑1。也就是说，无论它们之前是什么状态，现在被强制变成了一个“两个逻辑0”或“两个逻辑1”的叠加态，也就是贝尔态，两个量子比特的最大纠缠态。测量其中一个，立刻知道另一个的状态，无论它们相隔多远。这个操作在PsiQuantum的术语中叫做“融合”。每成功一次，就等于把两个独立的量子比特“粘”成了一个纠缠对。

整个过程的线路图

第四步是重复。一次融合只能产生两个光子之间的纠缠。要构建一台有用的量子计算机，需要的是几百万个光子之间的巨大纠缠网络。所以这个过程必须不断重复：产生光子、干涉、后选择测量、融合成功。每次成功的融合就像搭了一块乐高积木。PsiQuantum的整个计算架构就是用几百万次这样的操作，把无数个小纠缠对拼成一张巨大的三维纠缠图。最后，计算不是通过“做逻辑门”完成的，而是通过在这张图上进行单光子测量来完成的，每一次测量都在整个网络上传播信息，最终结果从统计中涌现出来。

这套方案的关键洞见在于，它不追求单次操作的确定性，而是以超大规模的并行来同概率相对冲。如果一次融合的成功率是99%，做100次还是99%。但做100万次，哪怕只有1%成功，也是1万个成功的纠缠对，足够支撑纠错算法把错误剔除出去。所以PsiQuantum非要依靠半导体工厂，他们需要的不只是几个完美的光子源，而是几百万个足够好的光子源，在同一块晶圆上被批量制造出来。如果说别人在打磨一把精度极高的手枪，PsiQuantum却在造一挺每分钟发射几万发的机枪，靠密度和数量压倒随机性。

硅光芯片：把实验室搬到晶圆厂

在PsiQuantum之前，所有光子量子计算实验都在光学平台上进行：激光器、透镜、分束器、探测器全部手调，一次实验只能处理几个光子。

PsiQuantum做的事情是把这一整套系统搬进了300毫米晶圆厂。他们在标准硅光工艺基础上加入了两种关键材料：一种是氮化铌，用来在芯片上直接制造超导纳米线单光子探测器，需要在零下271摄氏度下工作。另一种是钛酸钡，一种电光系数极高的材料，用来制造GHz级超高速光开关，解决光子产生的随机性问题。

PsiQuantum在《Nature》杂志上发表的论文公布了这套平台的核心性能数据。所有测试都在工业代工厂生产的芯片上完成。其中，单量子比特态制备与测量保真度达到99.98%。双光子量子干涉可见度达到99.50%。这是两个来自独立光源的光子在分束器上发生干涉时，行为一致性的量度，是所有平台中的最高值。两比特融合保真度达到99.22%，这是“拼乐高”操作的成功率。误差已压到1%以下，进入了容错量子计算的理论门槛。芯片间互联保真度达到99.72%，这是通过42米标准光纤把光子从一块芯片传到另一块芯片的信息保真度。这个数字意味着系统可以模块化扩展，而不是被限制在单芯片上。

不过，所有这些漂亮的数据都是“条件概率”，只在光子被成功探测的情况下成立。实际系统中还存在光子损耗、耦合损耗等问题，一半光功率会损失在接口上。目前，PsiQuantum面临的瓶颈之一就是光学损耗，光子在上百万个器件里穿行时累积的损耗是否还能保持在容错阈值以下，仍然是一大问题。

结语

PsiQuantum走了一条与所有主流量子计算公司都不同的路。PsiQuantum首席战略官Peter Shadbolt曾公开表示，量子计算目前面临的最大问题已经不是“大学实验室里的科学问题”，而是制造的问题。量子比特的错误率在千分之几的量级，和传统晶体管的错误率差得太远。要解决这个问题，需要百万级的量子比特和一台建筑大小的计算机。而PsiQuantum的策略是：跳过100量子比特的小系统，直接把所有资源投入架构、制造工艺、封装和组装，利用成熟的工业能力，赌一条能直通终点的路。这条路还没走完，美国政府就已下注。2026年5月21日，美国商务部宣布根据《芯片与科学法案》向九家量子计算公司提供总计20亿美元的资金支持。PsiQuantum获得1亿美元。

如果PsiQuantum能取得成功，它将创造历史：第一台由半导体工厂批量造出来的容错量子计算机。光子路线的潜力在于，芯片可以用光刻机直接印，用光纤连起来，模块化扩展到百万级。这是一条风险极大，可一旦突破，就能直接从工业规模上碾压所有对手的路径。

然而，到目前为止，PsiQuantum还没有公开演示过如何在光子上运行纠错码，尚未通过实验证明自己的量子纠错能力。而没有纠错，百万级量子比特只会输出噪音，摩顿湾刚刚动工的PsiQuantum工厂也就成了一场代价高昂的试错。早在2024年12月，Google已经证明了超导路线可以纠错：增加物理量子比特数量，逻辑错误率反而下降。PsiQuantum要证明的是另一件事：纠错可以在光子上实现，而且可以由半导体工厂批量完成。前者是物理的验证，后者是工程的豪赌。

参考文献

https://www.psiquantum.com/technology

https://interestingengineering.com/science/psiquantum-breaks-ground-australia-utility-scale-quantum-computer

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

来源|心智观察所

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