Xanadu和Imec正在合作開(kāi)發(fā)用于容錯(cuò)量子計(jì)算的光芯片。他們的共同目標(biāo)是創(chuàng)建一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，一臺(tái)能夠執(zhí)行通用算法的大規(guī)模量子比特計(jì)算機(jī)，并能檢測(cè)和糾正可能影響計(jì)算的任何錯(cuò)誤。他們的這種百萬(wàn)量子比特計(jì)算機(jī)將利用光量子構(gòu)建?，方便客戶(hù)可以立即使用。此外，該項(xiàng)目的合作還包括制造可容錯(cuò)的低損耗氮化硅量子電路。

?

在接受歐洲EE時(shí)報(bào)的采訪(fǎng)時(shí)，Imec業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Amin Abbasi（阿明·阿巴西）和Xanadu硬件業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Zachary Vernon（扎卡里·弗農(nóng)）強(qiáng)調(diào)了量子計(jì)算機(jī)的未來(lái)應(yīng)用前景?！坝行?yīng)用程序可能不需要完全容錯(cuò)就能提供計(jì)算價(jià)值，例如機(jī)器學(xué)習(xí)和組合優(yōu)化就是這樣。我們通過(guò)Xanadu的云平臺(tái)向用戶(hù)提供了一些在這些領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算最大的應(yīng)用價(jià)值可能在于化學(xué)。但是如果沒(méi)有數(shù)百萬(wàn)物理量子比特并能糾錯(cuò)的量子計(jì)算設(shè)備，就無(wú)法解決這些問(wèn)題?！盫ernon說(shuō)。

?

Vernon補(bǔ)充道：“量子計(jì)算在充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值之前，必須克服的最大障礙就是噪聲。要具備強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)良的制造材料、高質(zhì)量的光刻工藝和芯片封裝至關(guān)重要。”

光量子的價(jià)值

對(duì)于某些特定計(jì)算任務(wù)，采用能實(shí)現(xiàn)指數(shù)加速的量子計(jì)算可能比經(jīng)典計(jì)算更合適。而當(dāng)下量子計(jì)算實(shí)用化的一個(gè)核心挑戰(zhàn)是要實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，也就是在有噪聲的情況下，可以執(zhí)行不超過(guò)某個(gè)閾值的長(zhǎng)度或大小的計(jì)算。因?yàn)樵谧罨镜膶用嫔希孔佑?jì)算機(jī)可視作一臺(tái)利用量子門(mén)轉(zhuǎn)換并測(cè)量特定狀態(tài)的量子比特的機(jī)器，而在這些特定狀態(tài)下，量子門(mén)已經(jīng)利用了糾纏性將不同的量子比特融合，所以不可能描述出單個(gè)量子比特的狀態(tài)。

?

除了這種門(mén)模型之外，量子計(jì)算機(jī)可以被看作是一個(gè)“集群態(tài)”，它可以理解為“一根線(xiàn)上的珠子”。正如Xanadu在其一篇博客中指出，這里的“珠子”指的是量子比特，而“那根線(xiàn)”則代表它們之間的糾纏。最終的計(jì)算以測(cè)量量子比特為目標(biāo)，在這里“測(cè)量”不僅是讀出計(jì)算結(jié)果，而是計(jì)算過(guò)程的一部分，設(shè)置不同的測(cè)量應(yīng)視為不同的門(mén)變換作用于了量子比特上。

?

通用型計(jì)算機(jī)至少要保證二維的集群態(tài)，而容錯(cuò)型計(jì)算機(jī)必須是三維集群態(tài)。在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)中，我們可以通過(guò)重復(fù)或冗余來(lái)保護(hù)每一位信息免于出錯(cuò)，但在量子計(jì)算機(jī)中，冗余是被禁止的。因此，要使用三維集群態(tài)來(lái)保證它們的大小和排列允許拓?fù)淞孔与x散變量 (DV) 糾錯(cuò)。

?

由于它們雖然內(nèi)置但要發(fā)揮糾錯(cuò)能力還是極具挑戰(zhàn)，所以理想量子比特是GKP態(tài)。其中，Gottesman -Kitaev -Preskill （GKP）編碼是一種潛在的容錯(cuò)量子計(jì)算方法，因?yàn)樗鼘⑦壿嬃孔颖忍鼐幋a為諧振子的網(wǎng)格狀態(tài)。當(dāng)然，這一網(wǎng)格狀態(tài)的質(zhì)量必須非常高才能使代碼具有容錯(cuò)性。

?

其中，氮化硅允許創(chuàng)建壓縮態(tài)，可用于替代光子來(lái)編碼量子比特。由于其壓縮態(tài)制備的確定性，可用于提取容錯(cuò)量子比特（GKP態(tài)）。

?

“目前量子計(jì)算上領(lǐng)先的路線(xiàn)有離子阱、超導(dǎo)電路和光量子。因?yàn)橛霉饫w把不同的芯片聯(lián)網(wǎng)，所以光量子路線(xiàn)非常容易擴(kuò)大規(guī)模。但是制備單個(gè)光量子比特所需的設(shè)備數(shù)量更多。幸運(yùn)的是，半導(dǎo)體工藝提供的芯片集成和批量制造會(huì)改善這一情況?！?Vernon說(shuō)。

?

Xanadu的光子架構(gòu)本質(zhì)上由四個(gè)模塊組成：狀態(tài)制備工廠、多路復(fù)用器、計(jì)算模塊和光量子處理單元（QPU）。其中，多路復(fù)用器負(fù)責(zé)并行處理多級(jí)狀態(tài)，以增加產(chǎn)生GKP態(tài)的概率，QPU負(fù)責(zé)執(zhí)行必要的測(cè)量以實(shí)現(xiàn)某種量子算法，并進(jìn)行糾錯(cuò)。

合作共贏

光量子芯片傳輸?shù)氖枪舛皇请娮印?/strong>Xanadu的方法具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，例如在室溫下，通過(guò)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算就可擴(kuò)展至100萬(wàn)個(gè)量子比特，以及利用Imec半導(dǎo)體制造研發(fā)中心可以提供先進(jìn)技術(shù)的200毫米和300毫米的生產(chǎn)線(xiàn)的能力，有望在其200毫米的生產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。