2009 年，布里斯托大學(xué)教授 Jeremy O'Brien 發(fā)表了一篇研究論文，描述了如何重新利用片上光學(xué)元件來操縱單個光粒子并執(zhí)行量子操作。片上光學(xué)元件最初是由電信行業(yè)開發(fā)的。

經(jīng)過早期的光子研究，到 2016 年， O'Brien和他的三位學(xué)術(shù)同事Terry Rudolph、Mark Thompson 、 Pete Shadbolt 創(chuàng)建了PsiQuantum。

這些創(chuàng)始人都認(rèn)為，用傳統(tǒng)方法構(gòu)建尺寸實用的量子計算機(jī)將花費(fèi)太長時間。在公司成立之初，PsiQuantum團(tuán)隊就確立了構(gòu)建一百萬量子比特容錯光子量子計算機(jī)的目標(biāo)。他們還認(rèn)為，制造這種機(jī)器的唯一方法是在半導(dǎo)體代工廠制造它。

早期進(jìn)展

大約兩年前，PsiQuantum 首次引起關(guān)注，當(dāng)時它獲得了 1.5 億美元的 C 輪融資，使公司的總投資額增加到 2.15 億美元。

這種投資規(guī)反映了人們對 PsiQuantum 正在建造的任何量子設(shè)備的潛力都非常感興趣。當(dāng)時，PsiQuantum 以隱身模式運(yùn)行，因此關(guān)于其研究的可用信息很少。

去年，再次獲得了 4.5 億美元的 D 輪融資后，PsiQuantum 披露了有關(guān)其技術(shù)的更多信息。就在幾周前，一筆2500萬美元的美國政府撥款被聯(lián)合授予PsiQuantum及其制造合作伙伴 GlobalFoundries，用于加工和進(jìn)一步開發(fā)其光子量子計算機(jī)。擁有 GlobalFoundries 作為合作伙伴是對質(zhì)量的保證。GlobalFoundries是一家高品質(zhì)的一流晶圓廠，也是全球三大一級鑄造廠之一。

PsiQuantum目前的估值為31.5億美元，它所遵循的量子路線圖主要由其自己設(shè)計的墊腳石鋪就，具有構(gòu)建百萬量子比特通用硅光子量子計算機(jī)所需的獨(dú)特技術(shù)、組件和工藝。

基礎(chǔ)技術(shù)

經(jīng)典計算機(jī)使用數(shù)字位對信息進(jìn)行編碼，以表示零或一。量子計算機(jī)使用量子比特（qubits），它也可以表示一或零，或者同時處于零和一之間的某個數(shù)字的量子疊加態(tài)。有多種量子比特技術(shù)。IBM、谷歌和 Rigetti 使用由小線圈制成的量子比特，當(dāng)溫度很低時，這些線圈會變成超導(dǎo)體。Quantinuum 和 IonQ 使用從鐿原子中去除外層價電子形成的離子來充當(dāng)量子比特。Atom Computing 使用鍶的同位素制造中性原子自旋量子比特。

光用于超導(dǎo)體和原子量子計算機(jī)中的各種操作。PsiQuantum也使用光，并將無窮小的光子變成量子比特。光子量子比特有兩種類型：擠壓光和單光子，PsiQuantum選擇的技術(shù)是單光子量子比特。

使用光子作為量子比特是一個復(fù)雜的過程。在數(shù)以萬億計的具有不同頻率和能量的光子中，確定單個光子的量子態(tài)是很復(fù)雜的。

Pete Shadbolt 博士是 PsiQuantum 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家。他的職責(zé)包括監(jiān)督技術(shù)和科學(xué)相關(guān)政策和程序的應(yīng)用和實施，這些政策和程序?qū)siQuantum的成功至關(guān)重要。2014 年在布里斯托大學(xué)獲得實驗光子量子計算博士學(xué)位后，他在帝國理工學(xué)院從事博士后研究，研究光子量子計算理論。在布里斯托爾期間，他展示了首個變分量子特征解析器和首個用于量子處理器的公共 API。曾被英國研究委員會授予2014 EPSRC“新星”、獲得了EPSRC勵志科學(xué)家和工程師獎、歐洲物理學(xué)會論文獎。

Shadbolt 博士解釋說：從光束中檢測單個光子類似于從亞馬遜河的最寬處收集一滴指定的水。這個過程發(fā)生在一個硬幣大小的芯片上，PsiQuantum 芯片體現(xiàn)了非凡的工程和物理學(xué)，我們在不斷提高芯片的保真度和單光子源性能。

對用作量子比特的光子有嚴(yán)格的要求。一致性和保真度對光子量子計算機(jī)的性能至關(guān)重要。因此，每個光子源必須具有高純度、適當(dāng)?shù)牧炼?，并產(chǎn)生一致的光子。

合適的伙伴

一年前，當(dāng)?PsiQuantum 宣布其D輪融資時，該公司透露，它已與?GlobalFoundries 建立了合作伙伴關(guān)系，為光子量子芯片首創(chuàng)了制造工藝。這種制造工藝生產(chǎn)出?300 毫米的晶圓，其中包含數(shù)千個單光子源和單光子探測器。該晶圓還包含干涉儀、分離器和移相器。為了控制光子芯片，GlobalFoundries工廠還制造了具有大約 7.5 億個晶體管的先進(jìn)電子 CMOS 控制芯片。

光子優(yōu)勢

每一種量子比特技術(shù)都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。PsiQuantum 選擇使用光子來構(gòu)建其量子計算機(jī)，原因如下：

1、光子感覺不到熱量，大多數(shù)光子組件在室溫下工作；

2、PsiQuantum 的超導(dǎo)量子光子探測器需要冷卻，但工作溫度比超導(dǎo)量子比特高 100 倍左右；

3、光子量子比特與光纖網(wǎng)絡(luò)兼容，便于在本地設(shè)備之間路由光子；

4、光子不受電磁干擾的影響。

光子量子比特的另一個主要優(yōu)勢是：它能夠在較長的時間內(nèi)保持量子態(tài)。例如：盡管傳播了數(shù)十億年，遙遠(yuǎn)的恒星和星系發(fā)出的光仍然完好無損地到達(dá)地球。一個量子比特保持其極化量子態(tài)的時間越長，它可以執(zhí)行的量子操作就越多，這使得量子計算機(jī)更加強(qiáng)大。

為什么要從一百萬個量子比特開始？

Shadbolt 博士說：“我們已經(jīng)破解了構(gòu)建百萬量子比特量子計算機(jī)的代碼，盡管這是一個巨大的數(shù)字，但不難。我們所要做的過程類似于：將數(shù)十億個晶體管放入手機(jī)中。我們現(xiàn)在正在GlobalFoundries 300 毫米平臺上的筆記本電腦和手機(jī)芯片旁邊構(gòu)建量子芯片?！?/p>

據(jù) Shadbolt 博士介紹，PsiQuantum 的定制生產(chǎn)線取得了很大進(jìn)展。令人驚訝的是，在代工廠中建造百萬量子比特的量子機(jī)器，與組裝經(jīng)典超級計算機(jī)有許多相同的非量子問題，包括芯片產(chǎn)量、可靠性、高通量測試、封裝和冷卻。

Shadbolt 博士說：“從我們宣布與 GlobalFoundries合作到現(xiàn)在，我們已經(jīng)生產(chǎn)了大量的硅，總共做了七次流片，成百上千的硅晶圓從我們的門里出來。我們在封裝、組裝系統(tǒng)、集成和光纖連接方面投入巨資，以確保光流入和流出芯片的最高效率?！?/p>

PsiQuantum正在進(jìn)行大量研究，并不斷改進(jìn)光子元件和工藝的性能。除了高性能光學(xué)元件外，支持該工藝的技術(shù)也非常重要，比如光開關(guān)、光纖到芯片互連和粘合方法。

Shadbolt博士說：“在 GlobalFoundries 的最后幾次流片中，我們極大地提高了光子探測器的效率，從系統(tǒng)中丟失的光子越來越少。在我們最近的芯片中，我們還將波導(dǎo)損耗降至極低的水平。這涉及很多創(chuàng)新。單光子光源就是一個很好的例子，將激光直接照射到芯片中，以運(yùn)行單光子源。激光的強(qiáng)度大約是需要檢測的單個光子的一萬億倍，因此必須將該芯片上的光衰減大約一萬億倍?！?/p>

Shadbolt博士將 PsiQuantum 的制造成功歸功于GlobalFoundries。二線芯片代工廠比起像GlobalFoundries這樣的一線芯片代工廠之間存在顯著差異，PsiQuantum 所需的構(gòu)建芯片只能通過極其成熟的制造工藝來構(gòu)建。

他說：“PsiQuantum 有兩個苛刻的要求。我們需要大量的組件，而且這些組件要始終如一地滿足極其苛刻的性能要求。世界上很少有可靠的合作伙伴能夠地實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，與 GlobalFoundries 這樣的成熟芯片代工商合作將是我們戰(zhàn)略的關(guān)鍵。”

此次合作也對 GlobalFoundries 有利，因為它也將 PsiQuantum 的硅光芯片生產(chǎn)能力添加到工廠中，獲得了更多的新技術(shù)經(jīng)驗。

終點(diǎn)在望

根據(jù) Shadbolt 博士的說法，最初的問題是：是否可以在代工廠中制造大量量子器件。將直接來自大學(xué)實驗室的新設(shè)備納入制造流程一直很困難，它很耗時而且非常昂貴。納米單光子探測器就是這樣一個例子。PsiQuantum 的半導(dǎo)體路線圖只剩下幾個項目需要完成。由于單個芯片無法容納一百萬個量子比特，因此量子計算機(jī)將需要用光纖將多個量子處理器芯片連起來，并加上超高性能光開關(guān)，最終實現(xiàn)芯片之間單光子操作的隱形傳輸和糾纏。

adbolt 博士說：“剩下的問題是光開關(guān)。你可能會問，為什么光子量子計算的人從來沒有大規(guī)模建造過任何東西？或者為什么他們沒有展示出非常大的糾纏態(tài)？原因是需要一個特殊的光開關(guān)。它必須具有非常高的性能，優(yōu)于任何現(xiàn)有的最先進(jìn)的光開關(guān)，例如用于電信網(wǎng)絡(luò)的光開關(guān)。盡管光開關(guān)是一個經(jīng)典設(shè)備，其唯一功能是通斷波導(dǎo)之間的光信號，但在量子計算機(jī)中它必須以極低的損耗和非常高的速度完成，因此對光開關(guān)對性能要求極高。”

買不到就自己造

對于 PsiQuantum 來說，研發(fā)具有合適性能的光開關(guān)是成敗之舉。由于目前不存在適合的商用光開關(guān)，PsiQuantum 別無選擇只能制造一個。在過去的幾年里他們一直在大力投資開發(fā)高性能光開關(guān)。

Shadbolt 博士解釋說：“這是 PsiQuantum 正在做的最令人興奮的事情之一。構(gòu)建一個極高性能的光開關(guān)是我們路線圖中的下一件大事。我們相信這是開啟光學(xué)量子計算巨大前景的關(guān)鍵?！?/p>

總結(jié)

PsiQuantum建立在這樣一種信念之上，即光量子是構(gòu)建具有百萬個量子比特的容錯量子計算機(jī)的正確路線，并且應(yīng)該是是基于半導(dǎo)體工藝制造。同時創(chuàng)始人希望它不要隨著量子比特規(guī)模的擴(kuò)大而變成體積巨大的機(jī)器。

考慮到構(gòu)建百萬量子比特量子計算機(jī)整體過程的高度復(fù)雜性，相關(guān)工具和流程缺乏驗證，PsiQuantum成立以來所取得的進(jìn)展非常驚人。它與世界上最好的代工廠建立了合作伙伴關(guān)系，完成了七個流片，并資助了六種新工藝，以構(gòu)建首創(chuàng)的晶圓制造工藝，將超導(dǎo)單光子探測器整合到常規(guī)硅光子探測器中。

今天，它通過構(gòu)建光開關(guān)來應(yīng)對另一個挑戰(zhàn)，以填補(bǔ)空白。

毫不奇怪，超高性能光開關(guān)是 PsiQuantum 構(gòu)建可擴(kuò)展的百萬量子比特量子計算機(jī)計劃的關(guān)鍵部分。其他量子公司也計劃在十年內(nèi)集成類似的光交換技術(shù)，以擴(kuò)展模塊化的量子處理單元架構(gòu)。另一方面，PsiQuantum 正在開發(fā)的高性能光開關(guān)未來也可以作為一個獨(dú)立的產(chǎn)品來銷售，部署在數(shù)百萬量子比特的數(shù)據(jù)中心中，連接數(shù)萬個量子處理單元，成為額外收入的來源。

在實現(xiàn)了光開關(guān)后，就需要將其整合到 GlobalFoundries 的制造流程中。這是完成 PsiQuantum 代工組裝過程所需的最后一步，然后將生產(chǎn)光子量子計算機(jī)芯片。

但是，即使有一個完整的端到端制造過程，構(gòu)建成熟的容錯量子計算機(jī)也需要更多的時間。PsiQuantum 將繼續(xù)圍繞 GlobalFoundries 生產(chǎn)的芯片構(gòu)建完整的量子計算機(jī)。為此，它將需要訓(xùn)練有素的勞動力以及可以組裝、集成、測試和分發(fā)大型量子比特光子量子計算機(jī)的位置和基礎(chǔ)設(shè)施。

基于鑄造后工作量，光開關(guān)的開發(fā)和組裝，并假設(shè)沒有發(fā)生重大技術(shù)問題或延遲，相信在十年后，PsiQuantum才能提供任意規(guī)模的光子量子計算機(jī)。

Shadbolt 博士說：“盡管光開關(guān)是很多人感興趣的非常強(qiáng)大的通用技術(shù)，但我們對其通用性并不感興趣。我們只對一個事情感興趣——建造一臺性能優(yōu)于地球上所有超級計算機(jī)的量子計算機(jī)。這是我們唯一的目標(biāo)?！?/p>

編譯：王衍

編輯：慕一