（圖片來(lái)源：PsiQuantum）

編者按：使用光纖作為光量子的內(nèi)存，進(jìn)而用光量子內(nèi)存來(lái)提升容錯(cuò)量子計(jì)算的量子比特?cái)?shù)目，是近年來(lái)在光量子計(jì)算中興起的方向。中國(guó)的玻色量子團(tuán)隊(duì)在多年研發(fā)基礎(chǔ)上提出的“天工光量子計(jì)算架構(gòu)”[3]就采用了這樣一種方向。無(wú)獨(dú)有偶，在美國(guó)著名光量子計(jì)算公司PsiQuantum的方案中，也采用了這種方案。本文就根據(jù)PsiQuantum發(fā)表的兩篇論文，解讀其可擴(kuò)展光量子通用計(jì)算方案。

PsiQuantum是美國(guó)最領(lǐng)先的量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)企業(yè)之一，主攻光量子計(jì)算技術(shù)路線，由著名量子計(jì)算專家Jeremy O'Brien于2016 年創(chuàng)立，PsiQuantum的目標(biāo)是用傳統(tǒng)的硅芯片技術(shù)流程來(lái)制造使用光量子的商用量子計(jì)算機(jī)。PsiQuantum擁有一個(gè)由世界級(jí)工程師和科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，致力于整個(gè)量子計(jì)算堆棧的研究，涵蓋了光子、電子控制，光電芯片封裝、低溫系統(tǒng)、量子架構(gòu)和容錯(cuò)、量子應(yīng)用等各個(gè)方面。

根據(jù)相關(guān)公開(kāi)報(bào)道透露，PsiQuantum正在研發(fā)和生產(chǎn)量子光子芯片和用于控制量子位的低溫電子芯片，并宣布與全球領(lǐng)先的專業(yè)晶圓代工廠Global-foundries（格芯）合作，通過(guò)使用格芯公司的半導(dǎo)體制造工藝制造其量子核心組件。由于對(duì)光量子計(jì)算路線和工程實(shí)現(xiàn)能力的認(rèn)可，PsiQuantum也是全球范圍內(nèi)完成融資金額最高的量子計(jì)算企業(yè)，迄今為止已經(jīng)籌集總計(jì)6.65 億美元的資金。

PsiQuantum認(rèn)為，有用的量子計(jì)算機(jī)至少需要100 萬(wàn)個(gè)物理量子比特，以滿足容錯(cuò)和糾錯(cuò)的需求。因此，光量子通用計(jì)算方案的架構(gòu)及其可擴(kuò)展性是他們研究的重點(diǎn)。

2021年，PsiQuantum連續(xù)發(fā)表了兩篇重磅論文：Fusion-based quantum computation [1] 和Interleaving: Modular architectures for fault-tolerant photonic quantum computing [2]，揭示了其在可擴(kuò)展通用光量子計(jì)算的基本原理以及架構(gòu)。特別是在論文[2]中，PsiQuantum的研究人員提出了模塊化的容錯(cuò)光量子計(jì)算的架構(gòu)，第一次完整展示了其走向百萬(wàn)光量子比特的技術(shù)路線，印證了新一代具備光子處理模塊，數(shù)字處理模塊和光纖內(nèi)存的光量子計(jì)算架構(gòu)的可擴(kuò)展性和先進(jìn)性。

論文[2]再次陳述了光子作為量子比特的不一樣的特性。在其它使用固態(tài)量子的大規(guī)模計(jì)算架構(gòu)中，如在超導(dǎo)技術(shù)路線中，量子比特一般是以陣列的方式呈現(xiàn)，可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)量子信息，并對(duì)其進(jìn)行門(mén)操作和測(cè)量。而光量子的相干性優(yōu)異，但是飛行光子的缺點(diǎn)是易損耗，測(cè)量完之后即被銷毀。因此PsiQuantum此前研究了更適合光量子的容錯(cuò)計(jì)算的方式，也就是Fusion-Based?Quantum?Computing（基于融合的量子計(jì)算，F(xiàn)BQC）。

在光子FBQC架構(gòu)中，有兩個(gè)核心設(shè)備：

-?資源態(tài)生成器（resource-state?generators，RSG），用于周期性生成少量光子的糾纏組成的資源態(tài)（resource state），或者說(shuō)小規(guī)模的簇態(tài)（cluster state）；

-?融合設(shè)備（fusion?devices），通過(guò)對(duì)兩個(gè)或多個(gè)資源態(tài)，進(jìn)行少量光子糾纏的測(cè)量，并把這些資源態(tài)融合成更大的簇態(tài)。

根據(jù)論文[1]中FBQC的工作，已經(jīng)證明了系統(tǒng)里同時(shí)存在的單光子的數(shù)量相當(dāng)于量子比特的數(shù)量，計(jì)算速度由物理的糾纏測(cè)量速度，即資源態(tài)的融合操作速率決定。所以一個(gè)動(dòng)態(tài)的基于RSG的設(shè)備，和一個(gè)靜態(tài)量子比特設(shè)備計(jì)算能力是一致的。

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圖中的RSG為生成環(huán)狀簇態(tài)的資源，F(xiàn)為融合操作，1、L、L2為人為設(shè)置的延遲周期。那么只需要一個(gè)RSG，就可以生成L2個(gè)簇態(tài)（圖片來(lái)源：PsiQuantum）

但是，有了以上兩種設(shè)備還不夠，要進(jìn)一步擴(kuò)大這種光量子計(jì)算的量子比特規(guī)模，論文[2]就提出了時(shí)分復(fù)用的思路，并構(gòu)建了“光纖內(nèi)存”這一重要模塊。如果我們用時(shí)分復(fù)用的方式，每1ns有一個(gè)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(chǔ)超過(guò)5000個(gè)光子。

低損耗光纖是光量子計(jì)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)一個(gè)光子在低損耗光纖里傳輸1公里，仍舊有超過(guò)95%的概率幾個(gè)毫秒后從光纖的另一端出來(lái)，這樣的損耗率可以用容錯(cuò)FBQC來(lái)解決。

通過(guò)結(jié)合RSG、融合設(shè)備和光纖內(nèi)存的架構(gòu)設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)具備容錯(cuò)量子計(jì)算的數(shù)千個(gè)物理量子比特的計(jì)算能力。另一方面，把多個(gè)RSG連接成網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)完整的通用邏輯門(mén)計(jì)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(gè)RSG有5000個(gè)物理量子比特作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)才能實(shí)現(xiàn)。

這樣看來(lái)：PsiQuantum的這一架構(gòu)與玻色量子提出的“天工光量子計(jì)算架構(gòu)”模塊化架構(gòu)可謂殊途同歸：RSG等設(shè)備對(duì)應(yīng)的就是光子處理模塊部分，而融合設(shè)備等對(duì)應(yīng)的是數(shù)字處理模塊，最后都采用了時(shí)分復(fù)用的光纖作為內(nèi)存：

最后PsiQuantum的論文[2]中研究了光子FBQC，光纖內(nèi)存和拓?fù)淙蒎e(cuò)協(xié)議之間的結(jié)合，同時(shí)達(dá)到以下三個(gè)目標(biāo)：

1.?單個(gè)RSG比一個(gè)靜態(tài)量子位要強(qiáng)大得多。通過(guò)在低損耗介質(zhì)(如光纖)中臨時(shí)存儲(chǔ)光子資源狀態(tài)，RSG中可以同時(shí)存在多達(dá)數(shù)千個(gè)現(xiàn)有的資源狀態(tài)。這使得每個(gè)RSG能夠模擬數(shù)以千計(jì)的靜態(tài)物理量子比特，以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的量子計(jì)算。

2.?光子FBQC的架構(gòu)是高度模塊化和可擴(kuò)展的。大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)使用相同計(jì)算模塊組成網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)建出來(lái)。模塊由一些融合設(shè)備和宏觀光纖延遲組成，這些延遲用來(lái)做存儲(chǔ)器，并在模塊之間進(jìn)行連接。因此，在擴(kuò)展這樣的量子計(jì)算機(jī)時(shí)，主要的挑戰(zhàn)是構(gòu)建許多相同的RSG，而不是一大堆靜態(tài)量子位。RSG提供了一種替代方法，可以用來(lái)擴(kuò)大非光子物理基礎(chǔ)器件的量子比特規(guī)模，如固態(tài)量子比特等。只要能夠轉(zhuǎn)化到合適的光子，就可以將它們作為嵌入大規(guī)模光子體系結(jié)構(gòu)中的自主操作的RSG來(lái)使用。

3. 模塊化組件之間的宏觀光學(xué)連接可以降低邏輯操作的成本。RSG產(chǎn)生的光子可以傳播很遠(yuǎn)的距離，而且不像傳統(tǒng)架構(gòu)那樣的受到局域約束的影響。RSG之間的非局域連接提供了一套新的工具，能更有效地實(shí)現(xiàn)邏輯操作。

參考材料：

【1】Sara Bartolucci, et al. Fusion-based quantum computation. PsiQuantum, Palo Alto??https://arxiv.org/pdf/2101.09310.pdf

【2】Hector Bombin, et al. Interleaving: Modular architectures for fault-tolerant photonic quantum computing. PsiQuantum, Palo Alto??https://arxiv.org/pdf/2103.08612.pdf

【3】玻色量子?www.qboson.com

編譯：王凱/王衍編輯：慕一