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多年來，量子計算企業(yè)一直在努力往芯片里塞盡可能多的量子比特，并互相比拼這方面的成效。但可制造性和連通性方面的挑戰(zhàn)使堆砌量子比特的策略受到限制。目前從業(yè)者將目光轉(zhuǎn)向了連接多個量子處理器以構(gòu)建足夠大規(guī)模的計算機來解決現(xiàn)實需求。

2025年1月，加拿大量子計算公司Xanadu推出了所謂的“首臺模塊化”量子計算機。Xanadu的方法是選用光子作為量子比特，當(dāng)然，這只是替代建經(jīng)典比特的諸多選項之一。

在同月《自然》雜志發(fā)布的一篇論文中，該公司的研究人員概述了他們?nèi)绾螌?5個光子芯片和13公里長的光纖連接到4個服務(wù)器機架上，從而創(chuàng)建一臺12個量子比特的量子計算機，名為Aurora。

現(xiàn)階段量子計算機的量子比特數(shù)看起來已經(jīng)很多了，不過Xanadu方面表示，他們的設(shè)計展示了模塊化架構(gòu)的所有關(guān)鍵組件，而模塊化將使機器的量子比特擴展至數(shù)以百萬計。

如今，Xanadu并非唯一一家專注于模塊化的公司。 老牌巨頭IBM和量子計算新貴IonQ都已開始著手連接各自的量子處理器，IBM希望于2025年晚些時候展示模塊化設(shè)置。 此外，還有幾家初創(chuàng)公司正開拓自己在行業(yè)內(nèi)的生態(tài)位，打造模塊化轉(zhuǎn)變所需的支持技術(shù)。

Xanadu首席執(zhí)行官克里斯蒂安·韋德布魯克（Christian Weedbrook）表示，大多數(shù)企業(yè)早就認識到模塊化是擴大規(guī)模的關(guān)鍵，但到目前為止，他們優(yōu)先開發(fā)核心量子比特技術(shù)——這被普遍視為更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。鑒于最大的處理器已擁有超過1000個量子比特了，鑒于實用芯片實現(xiàn)在望了，韋德布魯克判斷行業(yè)焦點正在移轉(zhuǎn)。

“要觸及100萬個量子比特，也就是能真正開始解決客戶的實際問題，你就不可能把它們?nèi)岩粔K芯片上。要真正擴大規(guī)模，模塊化網(wǎng)絡(luò)是唯一方法。”

Xanadu采取了一種非傳統(tǒng)的方法，首先關(guān)注可擴展性問題。不同于IBM和谷歌使用的超導(dǎo)量子比特，依托量子計算的光子學(xué)的最大優(yōu)勢之一在于，這些機器與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兼容，這就簡化了連通性問題。

然而，由于光損耗高，Aurora不足以開展實用的計算。光子在穿過光學(xué)元件時會被吸收或散射，從而產(chǎn)生誤差。Xanadu的目標(biāo)是在未來兩年內(nèi)開發(fā)更好的組件并優(yōu)化架構(gòu)以求最小化損耗。他們計劃于2029年開始建設(shè)量子數(shù)據(jù)中心。

2025年的IBM大概也會在模塊化量子計算領(lǐng)域取得重大進展。他們設(shè)計的一款名為Flamingo的處理器將兩個156個量子比特的Heron處理器與內(nèi)置量子通信鏈路配對。今年晚些時候，IBM計劃連接多達7個Heron，打造一個擁有超過1000個量子比特的模塊化Flamingo處理器。

模塊化量子計算的路線圖

IBM Quantum的首席技術(shù)官奧利弗·戴爾（Oliver Dial）表示，模塊化一直是IBM量子路線圖的核心。盡管在堆積量子比特數(shù)量方面，IBM總處于領(lǐng)先地位，但芯片尺寸終究是老生常談的限制。戴爾表示，隨著芯片尺寸擴張，連接控制電子設(shè)備的難度也越發(fā)增長。使用更小型、可測試且可替換的組件來構(gòu)建計算機能簡化制造和維護工作。

不過IBM用的是超導(dǎo)量子比特，其運行速度快，制造相對容易，而網(wǎng)絡(luò)友好度不如其他量子技術(shù)。這些量子比特以微波頻率運行，因此無法輕易與光通信配合，這要求IBM開發(fā)專用耦合器以連接相鄰的和更遠的芯片。

IBM還在研究量子轉(zhuǎn)導(dǎo)——將微波光子轉(zhuǎn)換成可通過光纖傳輸?shù)墓忸l率。但戴爾表示，目前相關(guān)演示的保真度還遠達不到要求，因此轉(zhuǎn)導(dǎo)尚未列入IBM的官方路線圖。

IBM計劃今年連接多達7個156個量子比特Heron處理器，以推出模塊化、1000個量子比特以上的Flamingo 處理器

基于束縛離子（或稱陷俘離子）和中性原子的量子比特直接與光子相互作用，使光網(wǎng)絡(luò)更有可行性。2024年10月，IonQ展示了在不同處理器上糾纏束縛離子的能力。每個芯片上與離子糾纏的光子通過光纖電纜傳輸，并在稱作“貝爾態(tài)分析儀”的裝置處相遇，光子也于此處發(fā)生糾纏，它們的組合狀態(tài)被分析儀測量。這個過程使得最初與光子糾纏的離子通過所謂的糾纏交換而產(chǎn)生聯(lián)系。

IonQ的系統(tǒng)架構(gòu)和性能高級總監(jiān)約翰·甘布爾 （John Gamble） 表示，要將此擴展到能連接眾多量子處理器的水平，還需完成大量工作。目前貝爾態(tài)分析儀通過自由空間光學(xué)元件實現(xiàn)，其小型化和制造過程需利用集成光子技術(shù)。此外，光纖噪聲大，這意味著通過此類通道產(chǎn)生的糾纏質(zhì)量相對較低。為解決問題，IonQ計劃生成許多弱糾纏的量子比特對，并通過一些操作將其提煉為數(shù)量較少的高質(zhì)量糾纏，但要實現(xiàn)足夠高水平的高質(zhì)量糾纏率，難度依然很大。

法國初創(chuàng)企業(yè)Welinq正嘗試在互連中加入量子存儲器來解決這個問題。公司首席執(zhí)行官湯姆·達拉斯（Tom Darras）表示，光子互連的糾纏效率之所以低下，原因之一在于，所需的兩個光子經(jīng)常于不同時間點發(fā)射，因此它們往往“錯過”彼此而無法糾纏。添加存儲器可以創(chuàng)建一個有助于同步光子的緩沖區(qū)。

達拉斯說道：“當(dāng)你需要它們相遇時，它們就會相遇。這些技術(shù)使我們能足夠快速地創(chuàng)造糾纏，用以分布式計算。”

模塊化量子計算機

距離實用能干還有多遠？

如果成功連接了多個量子處理器，下一個挑戰(zhàn)就是怎樣在它們之間運行量子算法。這也是為什么Welinq還開發(fā)出一款量子編譯器araQne——決定如何在多個處理器之間劃分算法，同時最大程度地縮減通信開銷。

牛津大學(xué)科學(xué)家近期取得了這方面的突破，首次令人信服地演示在兩個互連處理器上運行的量子算法。他們實現(xiàn)了不同設(shè)備上的兩個束縛離子量子比特之間的邏輯運算。量子比特借助光子連接實現(xiàn)糾纏，處理器執(zhí)行Grover搜索算法的一個非常基礎(chǔ)的版本。

最后一道難題是搞清楚如何調(diào)整糾錯方案以適應(yīng)這種模塊化未來。 專注于創(chuàng)建高性能量子網(wǎng)絡(luò)解決方案的初創(chuàng)公司Nu Quantum最近證明，分布式量子糾錯不僅可行，而且高效。

Nu Quantum首席執(zhí)行官卡門·帕拉西奧斯-貝拉克羅（Carmen Palacios-Berraquero）表示：“這是一項非常重大的成果，讓分布式量子計算和模塊化首次成為一個真正意義上的選項。過去我們不知道如何以容錯方式做到這點，不知道它是否高效，是否可行。”

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