（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

硅光子學(xué)（SiPh），是近兩年的熱門詞匯之一，指的是在CMOS平臺上制造集成光量子的技術(shù)。

隨著人工智能傳輸需求的日益增長，數(shù)據(jù)中心的負(fù)擔(dān)越來越重，該技術(shù)有望為數(shù)據(jù)中心提供更快、更安全、更高效的解決方案。然而，硅光子學(xué)的潛力并不局限于傳統(tǒng)的計算和通信領(lǐng)域。

加拿大量子計算公司Xanadu一直致力于研發(fā)基于硅光子芯片的容錯量子計算機(jī)，旨在實(shí)現(xiàn)室溫下運(yùn)行的量子計算機(jī)。

該公司堅信，將光子作為量子比特的硅光子學(xué)將是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最快途徑。 Xanadu的首席技術(shù)官Zachary Vernon于11月訪問臺灣，并參加了由全球半導(dǎo)體聯(lián)盟主辦的2023年亞太地區(qū)高管峰會，向臺灣科技產(chǎn)業(yè)報紙DIGITIMES Asia談及光子學(xué)為量子計算領(lǐng)域帶來的機(jī)遇。

實(shí)現(xiàn)容錯量子計算機(jī)的競賽

目前，基于不同技術(shù)路線的量子計算機(jī)類型有超導(dǎo)、量子點(diǎn)、離子阱和光子等。Vernon指出，目前各種技術(shù)路線之間存在激烈的競爭，并且由于硬件類型的不同，使得它們在解決問題上使用的方法也有所差異。 他還指出，目前不同類型的量子計算機(jī)大多數(shù)處于原型設(shè)計階段，適用于解決不同的短期問題，但這些短期問題都與實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用有一段距離。理想情況下，如果所有構(gòu)建量子計算機(jī)的方法都能取得成功，那么它們應(yīng)該是等效的，并能夠解決相同的問題。 “為了達(dá)到這一點(diǎn)，我們需要實(shí)現(xiàn)容錯和糾錯，我們認(rèn)為光子將是第一個實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)且擴(kuò)展速度最快的技術(shù)，”Vernon解釋說，他強(qiáng)調(diào)擴(kuò)展性和高質(zhì)量對實(shí)現(xiàn)容錯都非常重要，“你需要大量的量子比特來編碼糾錯，同時你也需要眾多高質(zhì)量的量子比特?！?

光子學(xué)的應(yīng)用，使得人們能夠以不同模式的光纖連接不同的芯片，從而獲得比常規(guī)超導(dǎo)方法更優(yōu)的連接性。

據(jù)Vernon所述，這種更優(yōu)的連接性使得人們可以訪問更好的代碼，特別是量子低密度奇偶校驗碼（LDPC）。 Vernon表示：“實(shí)際上，光子是唯一可以訪問它的方法，它通過光纖傳輸量子比特，突破了其他方法在量子比特之間連接上的局限性，從而可將量子比特傳送到任何所需之處?！?

隨著量子比特的數(shù)量（現(xiàn)在通常以數(shù)百萬計）已經(jīng)成為正在進(jìn)行的全球量子競賽的重要考點(diǎn)之一，Vernon指出，光子學(xué)也需要數(shù)百萬量子比特才能發(fā)揮其優(yōu)勢。

Xanadu因采用優(yōu)質(zhì)的低密度奇偶校驗碼（LDPC），可以訪問比其他競爭方法多出10到100倍的邏輯量子比特。 Vernon強(qiáng)調(diào)說：“我們認(rèn)為，對于所有從事硅光子制造工作的研究人員來說，密切關(guān)注量子計算行業(yè)的技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要?！彼麖?qiáng)調(diào)了硅光子的兩個主要優(yōu)勢，即可擴(kuò)展性以及可以在室溫下運(yùn)行。并指出，Xanadu現(xiàn)在所有的實(shí)際計算都是在室溫設(shè)備上進(jìn)行的。

Xanadu的X8光子量子計算芯片（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

光子將是實(shí)現(xiàn)規(guī)?；淖羁焱緩?/p>

據(jù)Xanadu的預(yù)測，實(shí)現(xiàn)容錯并開始擴(kuò)大規(guī)模后，每年將新增數(shù)百個邏輯量子比特，到那時，量子計算機(jī)猶如一個數(shù)據(jù)中心，需要數(shù)千個甚至百萬個芯片來構(gòu)建，僅Xanadu每年就需要成千上萬個300mm芯片。

Vernon表示，在未來的幾年里，Xanadu希望能實(shí)現(xiàn)容錯能力，并能擴(kuò)展到包含1000個經(jīng)過糾錯處理的邏輯量子比特的規(guī)模，這種規(guī)模相當(dāng)于一個擁有大約1萬個機(jī)架的數(shù)據(jù)中心。

就與客戶的即時互動而言，Xanadu用于量子計算機(jī)編程的軟件庫PennyLane是該公司的主要產(chǎn)品。除了與英偉達(dá)達(dá)成合作外，Xanadu還與Amazon Web服務(wù)云平臺展開了緊密的合作。 “PennyLane是用于開發(fā)量子計算機(jī)算法的應(yīng)用程序編程接口（API)之一，”Vernon說，“它從一開始就專注于量子機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的研究，因為圍繞機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展壯大的社區(qū)在算法開發(fā)市場中已占據(jù)了相當(dāng)大的份額?！?Xanadu的首席技術(shù)官Zachary Vernon還強(qiáng)調(diào)了PennyLane與硬件無關(guān)的特征：它不是只能在光量子計算機(jī)或Xanadu的硬件平臺上使用，而是可以在不同的平臺上使用。Xanadu已經(jīng)與多個硬件供應(yīng)商合作實(shí)現(xiàn)了這一特性。例如，Xanadu已經(jīng)與大眾汽車等多個汽車制造商合作，利用PennyLane開發(fā)了用于電池模擬的量子算法。

在全球競爭中失利的風(fēng)險

Vernon指出，盡管量子機(jī)器學(xué)習(xí)還處于早期階段，但諸多量子計算公司在該領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量工作。 “目前大家正在研發(fā)多種算法，而量子計算機(jī)能以一種全新的方式處理某些機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)?！盫ernon說。然而，在人們能夠完全理解這一意義之前，仍需具備大規(guī)模的容錯量子計算機(jī)。“一旦這些東西擴(kuò)大到足夠大的規(guī)模，那么它將更有效地解決傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)中的基本運(yùn)算——例如矩陣運(yùn)算?！?

根據(jù)Vernon的看法，量子計算機(jī)在未來并不會取代數(shù)據(jù)中心，而是會增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心的性能。這表明量子計算技術(shù)無法解決目前由邊緣集群完成的計算問題和應(yīng)用程序。

他強(qiáng)調(diào)：“量子計算在算法類型上與其他方法完全不同，由于待解決的問題的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)不同，因此它們無法被普通經(jīng)典計算機(jī)訪問。量子計算的發(fā)展是一種突破現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新，而不是一種漸進(jìn)式的技術(shù)。以我們最近構(gòu)建的可云訪問的量子計算機(jī)Borealis為例，它能夠以多個數(shù)量級超越世界上最強(qiáng)大的超級計算機(jī)（以Fugaku超級計算機(jī)為基準(zhǔn)）?！?

從根本上說，量子計算所應(yīng)對的問題完全不同于傳統(tǒng)計算方式所面對的問題，這些問題并非單純地通過擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心所能解決的。

Vernon表示：“量子計算開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域，這些領(lǐng)域是當(dāng)前技術(shù)手段所無法觸及的?！?

編譯：琳夢/卉可

編輯：慕一

特此說明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點(diǎn)與數(shù)據(jù)。