（圖片來源：HPC?Wire）

PsiQuantum 由布里斯托大學(xué)、斯坦福大學(xué)和約克大學(xué)的四名研究人員于 2016 年創(chuàng)立，是少數(shù)幾家低調(diào)的量子計算初創(chuàng)公司之一（它已累計融資約 7 億美元）。在技術(shù)落地上， PsiQuantum 的獨特眼光在于避開了行業(yè)內(nèi)對 NISQ（含噪聲中等規(guī)模量子）計算機(jī)的喧囂追逐，選擇著手開發(fā)該公司自研的百萬量子比特系統(tǒng)，一旦完成就會為許多行業(yè)領(lǐng)域帶來巨大的收益。

所以，100萬量子比特技術(shù)落地，會是何時？

PsiQuantum表示，它將在2025年左右達(dá)成目標(biāo)。目前，它正與 GlobalFoundries (?GF?，格芯) 密切合作。PsiQuantum 押注了一種基于光子學(xué)的研究方法，稱為量子計算的融合架構(gòu)（見文后參考論文），該方法主要依賴于眾所周知的光學(xué)技術(shù)，但需要極其精確的制造公差才能擴(kuò)大規(guī)模。此外，還依賴于操控單個光子，業(yè)內(nèi)公認(rèn)該研究實現(xiàn)起來非常困難。

PsiQuantum:光量子路線“要么做大，要么放棄”

量子計算的成功研制需要大型容錯系統(tǒng)，而當(dāng)前對NISQ計算機(jī)的關(guān)注方向是一條有趣但錯誤的道路。實現(xiàn)實用量子計算的最有效和最快的途徑是利用（和創(chuàng)新）現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝，將數(shù)千個量子芯片連接在一起，以達(dá)到百萬量子比特——這被廣泛認(rèn)為是改變化學(xué)、金融等行業(yè)游戲規(guī)則所必需的系統(tǒng)閾值。

漸進(jìn)主義并不是壞事。事實上，這很有必要。但PsiQuantum創(chuàng)始人&首席科學(xué)官 Peter Shadbolt 認(rèn)為，當(dāng)只專注于研發(fā) NISQ 系統(tǒng)時，量子計算并沒有展示出優(yōu)越性。

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PsiQuantum 創(chuàng)始人&首席科學(xué)官Peter Shadbolt（圖片來源：HPC?Wire）

“傳統(tǒng)的超級計算機(jī)已經(jīng)非常出色了，你必須要做一些改變。你不能以漸進(jìn)主義的方法前進(jìn)，尤其是你不能選擇依次增加5個、10個、20個、50個量子比特，直到100萬量子比特，這顯然不是一個好策略。當(dāng)然，如果說我們計劃從0直接躍升至100萬也不正確。”

?Shadbolt說：“我們正在構(gòu)建一整套越來越先進(jìn)的系統(tǒng)。可以幫助我們驗證并控制電子設(shè)備、系統(tǒng)集成、低溫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)等。但我們沒有花費時間和精力為它們做包裝，我們也沒有拼命地從沒有任何計算價值的部分中提取計算價值。我們只將這些中間系統(tǒng)用于自研產(chǎn)品的學(xué)習(xí)和發(fā)展?！?/p>

這與大多數(shù)量子計算公司的規(guī)劃路線大不相同。Shadbolt 表示，關(guān)于超越“ NISQ 教條主義”的討論開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

“現(xiàn)在正在發(fā)生一個變化，那就是人們開始為容錯量子計算機(jī)編程，而不是為 NISQ 計算機(jī)編程。這是一個可喜的變化，并且正在業(yè)內(nèi)普遍發(fā)生。如果你正在為 NISQ 計算機(jī)編程，你很快就會深深地糾結(jié)于硬件未能實現(xiàn)的功能。你開始尋找“驅(qū)動引擎”，并嘗試找捷徑來解決只能使用極少數(shù)門的事實。因此，對 NISQ 計算機(jī)進(jìn)行編程是一項引人入勝的智力活動，我自己也做過，但它很快就會形成“孤島”。所以你必須選擇成為一個贏家?！?/p>

（圖片來源：HPC?Wire）

“一旦發(fā)現(xiàn)需要糾錯，那么你就可以在與硬件無關(guān)的容錯門中進(jìn)行編程，而且處理簡單。在許多情況下，你在容錯機(jī)制中對算法進(jìn)行的優(yōu)化與在 NISQ 機(jī)制中進(jìn)行的優(yōu)化完全相反。在容錯機(jī)制中可以花費更少的時間來推動整個行業(yè)前進(jìn)，這非常受歡迎，”他說。

通過推廣 NISQ 計算機(jī)與早期量子計算生態(tài)系統(tǒng)的案例，PsiQuantum 借此宣傳自身的進(jìn)步，并和上下游商業(yè)伙伴建立多方面的合作，夯實基礎(chǔ)。有一個古老的商業(yè)諺語說，一點點“炒作”往往是加速年輕產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要潤滑劑。量子計算也是如此。

一個更大的問題是 PsiQuantum 會在最后階段擊敗對手嗎？現(xiàn)今，IBM已經(jīng)制定了詳細(xì)的路線圖，并表示將在 2023 年開始使用 1000 量子比特系統(tǒng)來提供量子優(yōu)勢，并計劃最終實現(xiàn)百萬量子比特系統(tǒng)。英特爾則大肆宣傳其 CMOS 實力，以擴(kuò)大其量子點量子比特的制造規(guī)模。而D-Wave多年來一直在向商業(yè)和政府客戶銷售其量子退火系統(tǒng)。

目前還不清楚哪種量子比特技術(shù)（如基于半導(dǎo)體的超導(dǎo)、離子阱、中性原子、光子學(xué)或其他技術(shù)）將占上風(fēng)？以及哪些應(yīng)用將率先脫穎而出？而PsiQuantum 有著“要么做大，要么放棄”的堅決態(tài)度，該公司認(rèn)為，其光量子路線在可制造性和可擴(kuò)展性、操作環(huán)境（非超低溫）、易于聯(lián)網(wǎng)和容錯方面具有明顯的優(yōu)勢。Shadbolt 闡述了公司的落地方案、技術(shù)優(yōu)勢和進(jìn)展情況。

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（圖片來源：HPC?Wire）

融合架構(gòu)落地容錯量子計算

從廣義上講，PsiQuantum 采用了一種線性光學(xué)量子計算形式，其中單個光子被用作量子比特。在過去的一年半里，以前一直處于“隱身模式”的 PsiQuantum 發(fā)表了幾篇描述這種方法的論文，同時保留了許多研究細(xì)節(jié)（論文列在文章末尾）。

整個計算流程是生成單個光子并將它們糾纏在一起，PsiQuantum 對光子使用雙軌糾纏/編碼。糾纏的光子就是量子比特，它們被 PsiQuantum 定義并分組為“資源態(tài)”，融合測量（見下文）充當(dāng)門。Shadbolt 說，這些操作可以映射到標(biāo)準(zhǔn)門集，以實現(xiàn)通用的容錯量子計算。

然后在片上組件上執(zhí)行該過程。這聽起來很奇特，部分原因是它不同于更廣泛使用的基于物質(zhì)研究的量子比特技術(shù)。下圖取自大約一年前發(fā)布的 PsiQuantum 論文——基于量子計算的融合架構(gòu)——大致描述了該過程。

（圖片來源：HPC?Wire）

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想要深入研究細(xì)節(jié)最好閱讀論文，該公司已在其網(wǎng)站上存檔了探索該方法的視頻。Shadbolt 還簡要描述了量子計算的融合架構(gòu)?(FBQC)。

“一旦有了單光子，你就需要構(gòu)建我們所說的‘種子態(tài)’。它是非常小的糾纏態(tài)，可以使用線性光學(xué)二次構(gòu)建。因此，您可以獲取一些單光子并將它們發(fā)送到干涉儀中，通過單光子檢測，可以概率性地生成小的糾纏態(tài)。然后再次對它們進(jìn)行多路復(fù)用，基本任務(wù)是盡可能快地獲得足夠大、足夠復(fù)雜、結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)馁Y源態(tài)，然后由融合網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行操作，這一過程中如果你不想讓光子長時間存活，就需要盡可能快的‘殺死’光子。”

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PsiQuantum利用時分復(fù)用的思路，構(gòu)建了“光纖內(nèi)存”這一重要模塊。如果我們用時分復(fù)用的方式，每1ns有一個光子進(jìn)入光纖，那么1公里的光纖內(nèi)存可以暫態(tài)存儲超過5000個光子。

低損耗光纖是光量子計算架構(gòu)中負(fù)責(zé)提供大容量量子內(nèi)存的核心部件。簡單來說一個光子在低損耗光纖里傳輸1公里，仍舊有超過95%的概率幾個毫秒后從光纖的另一端出來，這樣的損耗率可以用容錯FBQC來解決。

通過結(jié)合RSG、融合設(shè)備和光纖內(nèi)存的架構(gòu)設(shè)計，就可以實現(xiàn)具備容錯量子計算的數(shù)千個物理量子比特的計算能力。另一方面，把多個RSG連接成網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)完整的通用邏輯門計算。同樣的規(guī)模在靜態(tài)量子比特中，比如超導(dǎo)量子比特，需要每個RSG有5000個物理量子比特作為數(shù)據(jù)存儲才能實現(xiàn)。

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Shadbolt 說道：“融合操作是機(jī)器中最小且最簡單的部分，而多路復(fù)用單光子源是最大、最昂貴的部分，中間件的所有部分都是我們構(gòu)建系統(tǒng)的秘訣。其中一些我們已經(jīng)在論文中提到，你可以了解它的工作原理。”（注：PsiQuantum 系統(tǒng)的另一種簡短描述在文章結(jié)尾處提供。）

PsiQuantum 說，FBQC 的一個重要優(yōu)勢是在淺層光路中更容易糾錯。“可以推動計算的小糾纏態(tài)我們稱為‘資源態(tài)’，重要的是，資源態(tài)的大小與使用的碼距或正在執(zhí)行的計算無關(guān)，它們可以由恒定數(shù)量的量子比特數(shù)操作生成。由于資源態(tài)要在創(chuàng)建后立即進(jìn)行測量，所以操作的總層度也恒定。因此，資源態(tài)中的錯誤是有界的，這點對于容錯研究非常重要?！?/p>

PsiQuantum 的 FBQC 設(shè)計與更熟悉的MBQC（基于測量的量子計算）范式之間的一些差異如下所示。

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（圖片來源：HPC?Wire）

另一個優(yōu)勢是操作環(huán)境。

“光子本身不需要低溫操作。你可以在室溫下進(jìn)行非常高保真度的操作和生成量子比特，事實上，你甚至可以在室溫下很好地檢測單個光子。然而，室溫單光子探測器的效率不足以實現(xiàn)容錯。這些室溫探測器是基于相當(dāng)復(fù)雜的半導(dǎo)體器件、雪崩光電二極管研究，現(xiàn)在還在尋找各種物理原理來將它們提高到必要的效率，但真的很難，因為人們已經(jīng)嘗試了很長時間， ”Shadbolt 說道。

“而我們使用超導(dǎo)單光子探測器，無需大量開發(fā)即可實現(xiàn)必要的效率。值得注意的是，這些探測器可在 4 開爾文的范圍內(nèi)運(yùn)行。雖然液氦溫度要求仍然非常低，但遠(yuǎn)不及超導(dǎo)量子比特或其他技術(shù)路線所需的毫開爾文溫度。”

這對控制電路布局以及只需4開爾文溫度環(huán)境所降低的功率具有重要意義。

與許多其他初創(chuàng)量子計算公司一樣，PsiQuantum 是由已經(jīng)深入量子計算領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)十年研究的業(yè)內(nèi)人士創(chuàng)立，他們已經(jīng)證明 PsiQuantum 的線性光學(xué)量子計算 FBQC 路線有實用價值。在布里斯托爾大學(xué)讀博期間，Shadbolt 參與了在光子芯片上運(yùn)行變分量子本征求解器 (?VQE ) 的首次演示。

他認(rèn)為，PsiQuantum 面臨的最大挑戰(zhàn)是圍繞眾所周知的光學(xué)技術(shù)開發(fā)制造新的量子技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)。該公司認(rèn)為，擁有像 GlobalFoundries（格芯）?這樣的一級半導(dǎo)體晶圓代工廠商合作伙伴是明智之選。

“你可以深入了解光子學(xué)架構(gòu)的所有細(xì)節(jié)，以及所有零碎的部分如何組合在一起。但光量子計算的重點在于組件網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜——各種模塊結(jié)構(gòu)以及多路復(fù)用策略、資源態(tài)生成方案和干涉儀設(shè)備支持等——它們都只是由分束器、開關(guān)、單光子源探測器組成。這有點像在傳統(tǒng)的 CPU 中，你可以用顯微鏡檢查緩存和 ALU 的結(jié)構(gòu)以及其他任何邏輯單元，但在它們下面只有晶體管。同樣的道理，我們的產(chǎn)品研發(fā)也需要半導(dǎo)體工藝支持?！?/p>

任何量子計算機(jī)最終都需要實現(xiàn)數(shù)百萬個量子比特，而數(shù)百萬個量子比特不適合集成在單個芯片中。所以提到成堆的芯片，實際上可能有數(shù)十億個組件，而且它們都需要比最先進(jìn)的技術(shù)還要更好地工作。這讓我們不斷進(jìn)步，即再次將這些不同的組件重新排列成更高效、更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，與 CPU 架構(gòu)非常相似。

它是我們 IP 中非常關(guān)鍵的部分，而且它沒有速率限制，一旦我們有了先進(jìn)的制造技術(shù)，改變芯片上的組件網(wǎng)絡(luò)也不會很昂貴。我們不斷推動并改進(jìn)架構(gòu)開發(fā)，使其提效 150 倍以上，甚至遠(yuǎn)超于此。例如，我們只通過多數(shù)量級的架構(gòu)改進(jìn)就縮小了機(jī)器的尺寸。

“大型、昂貴、緩慢的開發(fā)部分在于由紐約的 GlobalFoundries 制造高質(zhì)量的組件。我們已經(jīng)將單光子源和超導(dǎo)納米線、單光子探測器放入制造引擎中。我們可以制造300mm的晶圓，晶圓上集成了數(shù)以萬計的組件，包括一個全硅光子學(xué) PDK（工藝設(shè)計套件），以及一個非常高性能的單光子探測器。這就是真正的進(jìn)步，讓我們離建造一臺量子計算機(jī)更進(jìn)一步，因為這讓我們能夠建造數(shù)百萬到數(shù)十億個組件?！?/p>

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PsiQuantum FBQC 處理器（圖片來源：HPC?Wire）

Shadbolt 說，真正的先進(jìn)系統(tǒng)將迅速跟隨制造技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。與其他量子計算公司一樣，PsiQuantum 正與潛在用戶密切合作。大約一周前，它與梅賽德斯-奔馳發(fā)布了一篇聯(lián)合論文，討論了鋰離子化學(xué)的量子計算機(jī)模擬。如果 PsiQuantum-GlobalFoundries 工藝在 2025 年左右準(zhǔn)備就緒，那么百萬量子比特系統(tǒng)（100 個邏輯量子位）的實現(xiàn)還會遠(yuǎn)嗎？

Shadbolt 說，一旦過程完全開發(fā)，事情就會很快發(fā)生。他指出，量子計算機(jī)的商業(yè)模式有三種：銷售量子計算機(jī)、銷售時間服務(wù)和銷售基于量子計算機(jī)制定的解決方案?！癙siQuantum正在探索上述所有方面，”他說。

“針對這一點，我們的客戶名單也在不斷增長——制藥公司、汽車公司、材料公司、大銀行——他們都在咨詢量子計算機(jī)可以為他們做些什么。需要理解的是，我們所做的主要是容錯資源計數(shù)?！?/p>

Shadbolt 說：“這意味著我們要與他們的技術(shù)團(tuán)隊合作研發(fā)算法或深入了解他們的技術(shù)需求來幫助他們解決實際問題。現(xiàn)在，我們正將其轉(zhuǎn)化為適用的量子算法和子程序，還為將在該融合網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的普通容錯門進(jìn)行編譯。”

參考文獻(xiàn)：

"量子計算的融合架構(gòu)" ,https://arxiv.org/abs/2101.09310

"使用線性光學(xué)構(gòu)建糾纏光子態(tài)",https://arxiv.org/abs/2106.13825

"交織：容錯光量子計算的模塊化架構(gòu)"，https://arxiv.org/abs/2103.08612

以及PsiQuantum 各種公開發(fā)表論文和公開演講的幻燈片/圖表.

參考閱讀：

“交織：容錯光量子計算的模塊化架構(gòu)”論文中對 PsiQuantum 量子計算的融合架構(gòu)系統(tǒng)的描述

“有用的容錯量子計算機(jī)需要大量的物理量子比特。量子計算機(jī)通常設(shè)計為執(zhí)行門和測量的靜態(tài)量子比特陣列。光子量子比特需要不同的構(gòu)建方法。在基于光子融合的量子計算 (FBQC) 中，主要硬件組件是資源態(tài)發(fā)生器 (RSG) 和通過波導(dǎo)、開關(guān)連接的融合設(shè)備。RSG 產(chǎn)生數(shù)個光子量子比特的小糾纏態(tài)，而融合設(shè)備是在不同資源態(tài)之間進(jìn)行糾纏測量，從而執(zhí)行計算。此外，光纖等低損耗光子延遲可以用作固定時間量子存儲器，如同時存儲數(shù)千個光子量子比特。

“在這里，我們提出了一種用于 FBQC 的模塊化架構(gòu)，其中一些組件組合成'交織模塊'，由一個 RSG 及其相關(guān)的融合設(shè)備和一些光纖延遲組成。利用延遲的乘法能力，每個模塊可以將數(shù)千個物理量子比特添加到希爾伯特空間進(jìn)行計算。該模塊網(wǎng)絡(luò)屬于通用容錯量子計算機(jī)，我們可以使用表面代碼（量子糾錯碼）和晶格手術(shù)來演示。我們的數(shù)值分析表明，在包含 1 公里光纖延遲的模塊網(wǎng)絡(luò)中，每個 RSG 可以生成4個邏輯距離為 35 的表面代碼量子比特，同時除了光纖延遲損失外，還能接受 2% 以上的光子損失率。我們說明了如何將‘進(jìn)一步使用非本地光纖連接來降低邏輯運(yùn)算的成本’和‘促進(jìn)非常規(guī)幾何形狀的形成’交織組合起來，例如周期性邊界或星形表面代碼。'交織'不僅適用于純光學(xué)架構(gòu)，還可以將許多具有光子轉(zhuǎn)換功能的小型斷開連接的物理量子比特設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮土孔佑嬎銠C(jī)?！?/span>

原文鏈接：https://www.hpcwire.com/2022/04/21/psiquantums-path-to-1-million-qubits-by-the-middle-of-the-decade/

文：John Russell編譯：慕一編輯：王衍
注：本文編譯自“?HPC?Wire”，不代表量子前哨觀點。