PsiQuantum用光构建巨型量子计算机的宏伟计划

在量子计算的赛道上，一家名为PsiQuantum的初创公司正试图用最奇特的材料——光——来打造一台能够改变世界的机器。据MIT Technology Review报道，这台机器将放置在一个看起来像数据中心与冰淇淋工厂混合体的房间里。

这个房间内将排列大约100个不锈钢机柜，每个约两米高，连接着液氦供应系统。这些机柜内部的温度被保持在仅比绝对零度高几度的水平，以确保光子芯片和光学元件的稳定运行。虽然光子本身不像离子或超导电路那样容易受到热干扰，但PsiQuantum的设计要求极其精密的光路控制，而极端低温能减少热噪声对光学元件的影响。

光子路线的独特优势

目前主流的量子计算技术路径包括超导电路、离子阱和拓扑量子比特等。PsiQuantum选择了一条更为小众却潜力巨大的路径——光子量子计算。光子的优势在于它们几乎不与环境相互作用，这意味着较长的退相干时间，而且光子之间的相互作用可以通过线性光学元件（如分束器和移相器）来模拟。此外，光子量子计算机理论上可以在室温下运行部分组件，降低整体冷却负担。

然而，光子的相互作用非常微弱，这使得构建双量子比特门（也就是量子逻辑门）变得极具挑战。PsiQuantum的解决方案是使用“用于量子计算的单光子源”和“高效光子探测器”，并通过复杂的干涉仪网络来编码和操纵量子信息。他们声称其架构可以原生支持量子纠错，从而避免其他平台在扩展时面临的“纠错开销爆炸”问题。

“我们不是在制造一台普通的量子计算机，而是在建造第一台能够解决实际问题的容错量子计算机。”——PsiQuantum联合创始人兼CEO Jeremy O’Brien曾在公开场合表示。

数据中心与冰淇淋厂的跨界融合

原文这样描述计算机的外形：“The machine that could change the world will be housed in a room that looks like a data center crossed with an ice cream factory.” 数据中心般的排列方式是为了便于模块化扩展和故障隔离；而“冰淇淋厂”的比喻则是因为系统需要大量液氦——这与冰淇淋生产中使用的冷冻技术原理类似（尽管液氦温度远低于冰淇淋冷冻）。这些机柜内部包含光子芯片、光纤互联、光学延迟线以及低温冷却系统。

与谷歌、IBM的超导量子计算机不同，PsiQuantum的机器不需要稀释制冷机来将整个系统降至毫开尔文级别，而是仅将核心光子芯片冷却至约4开尔文（液氦沸点附近）。这种设计在功耗和工程复杂度上可能更具优势。但代价是庞大的基础设施：每个机柜都需要独立的液氦循环系统，并配备高精度光学对准装置。

挑战与行业影响

尽管PsiQuantum已经筹集了超过6.6亿美元资金（包括来自微软等巨头的投资），并从2020年起与全球著名的国家级研究机构合作，但光子量子计算仍面临重大障碍。首先，单光子源的效率和纯度需达到极高水准；其次，光子探测器的量子效率需接近100%才能减少错误率；最后，大规模集成光学芯片的制造良率目前远低于电子芯片。

如果PsiQuantum能按计划在2026年前后实现百万量子比特的容错量子计算，这将是量子计算领域的一个里程碑。届时，该机器可能被用于药物分子模拟、材料设计、密码学破解等引发变革的领域。不过，许多物理学家和计算机科学家对此持谨慎态度，认为光子路线需要突破的技术壁垒仍然很高。

值得一提的是，这篇报道的发布时间设定在2026年7月，暗示可能是一个前瞻性报道。实际上，PsiQuantum曾在2021年公布其路线图，目标是在2025年之前建成第一台商用量子计算机，但目前尚未公开具体进展。

无论最终成败，PsiQuantum的尝试代表了量子计算多元化发展的重要方向。用光来构建量子计算机的想法，如同用光来传递信息的光纤通信一样，虽然早期被视为异端，但最终可能成为主流。

本文编译自MIT Technology Review