繼 2025 年 1 月發(fā)表Nature論文以后，成立 9 年至今已融資 2.75 億美元的加拿大量子初創(chuàng)公司 Xanadu Quantum Technologies（下稱 Xanadu）于當?shù)貢r間 6 月 4 日又在Nature發(fā)表新論文。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature）

在本次研究中，Xanadu 團隊在集成芯片上造出全球首個光子 GKP 量子比特，在創(chuàng)建穩(wěn)健且抗錯誤的量子比特方面迎來了重大突破，也向可擴展、容錯的量子計算邁出關(guān)鍵一步。

（來源：Xanadu）

開發(fā)真正可擴展的容錯量子計算系統(tǒng)的路徑已經(jīng)清晰可見

GKP 的全稱是 Gottesman–Kitaev–Preskill，由三位科學(xué)家于 2001 年提出。GKP 量子比特的特別之處在于，它利用光的力量通過在多個光子中編碼量子信息來實現(xiàn)自然糾錯，無需激光冷卻，僅需最低限度的低溫條件，即可在室溫下實現(xiàn)可擴展的量子計算能力。

依托光子 GKP 量子比特，Xanadu 表示其正在為打造該公司的量子數(shù)據(jù)中心鋪平道路。該中心預(yù)計擁有數(shù)千個網(wǎng)絡(luò)機架，可解決化學(xué)、人工智能、材料等領(lǐng)域的復(fù)雜問題。

（來源：https://www.canadianinnovators.org/ceo-directory/c）

在本次研究之中，Xanadu 團隊還報告了 1550nm 波段光學(xué) GKP 量子比特態(tài)的制備和表征。這些量子態(tài)顯示出幾個定量和定性特征，使得它們可以與未來的大規(guī)模容錯量子計算機兼容。

此外，生成這些量子態(tài)的技術(shù)基于可擴展的技術(shù)體系，有望擴展至數(shù)百萬個獨立光源，從而為未來具備實用價值的量子計算機提供足夠數(shù)量的量子比特。

研究中，Xanadu 團隊在 300㎜ 晶片定制氮化硅平臺上制造了光子集成電路，該平臺使用了專門針對低光學(xué)損耗進行優(yōu)化的制造工藝，從而彌補了這類系統(tǒng)最關(guān)鍵的物理缺陷，同時保留了生成非經(jīng)典光所需的非線性。

芯片制造和檢測技術(shù)的進步，讓他們得以成功生成 GKP 量子比特源，并證明了在進一步降低光學(xué)損耗后，該器件可以直接兼容容錯量子計算體系。

Xanadu 團隊針對光子集成芯片的制造工藝進行了大規(guī)模定制，從而能在“不降低芯片在大型設(shè)施中可制造性”的前提下減少損耗。這意味著這項工作促成了高質(zhì)量光學(xué)諧振器的誕生，并改善了將片上波導(dǎo)與光纖耦合的接口。

另外，Xanadu 團隊還開發(fā)出了探測效率遠高于 99% 的光子數(shù)分辨探測器。這些改進沒有一項是相互排斥的，所有改進都可以在同一個實驗中結(jié)合起來。

據(jù)了解，為了制備 GKP 態(tài)，Xanadu 團隊首先對壓縮光發(fā)生器產(chǎn)生的量子壓縮效應(yīng)進行了測量，測得壓縮度為 5.2db。對于所產(chǎn)生的 GKP 態(tài)，Xanadu 團隊觀察到該態(tài)的相空間分布中有四個完全可分辨的峰，并且該函數(shù)有九個不同的區(qū)域取負值。這些跡象是 Xanadu 團隊一直在努力尋找的，旨在證明這些量子態(tài)可用于量子應(yīng)用。

而通過本次研究他們得出的最激動人心的結(jié)論是，開發(fā)真正可擴展的容錯量子計算系統(tǒng)的路徑已經(jīng)清晰可見，那就是——只需減少損耗即可。

需要說明的是，此次成果建立在 Xanadu 團隊另一個“里程碑硬件”Aurora 的基礎(chǔ)上，它是一臺模塊化、可擴展和網(wǎng)絡(luò)化的量子計算機。

（來源：Nature）

預(yù)計隨著芯片組件和封裝損耗的不斷減少，以及適合多路復(fù)用和增殖的芯片平臺的開發(fā)，Xanadu 團隊將能生成更高質(zhì)量的 GKP 量子比特狀態(tài)。

總的來說，此次成果為面向容錯光子量子計算機的 GKP 量子比特生成技術(shù)指明了一條極具前景的發(fā)展路徑。

亟需在光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)能產(chǎn)生 GKP 量子態(tài)的光源

據(jù)了解，光子量子計算架構(gòu)面臨一個共同挑戰(zhàn)：將激光等傳統(tǒng)光源提供的經(jīng)典光轉(zhuǎn)換為非經(jīng)典資源態(tài)，以適配數(shù)字量子比特編碼和便捷的邏輯門操作。這類態(tài)的高純度光源始終依賴于參量非線性光學(xué)相互作用和光子計數(shù)。

在量子光學(xué)悠久且成熟的歷史中，許多開創(chuàng)性成就都歸功于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換和自發(fā)四波混頻（SFWM，spontaneous four-wave mixing）。這些光子學(xué)核心組件能夠按需產(chǎn)生壓縮真空態(tài)，而該量子態(tài)本身在量子傳感和基礎(chǔ)量子信息處理任務(wù)中具有重要應(yīng)用價值。

然而，要生成用于計算的有用量子比特態(tài)，還需要進一步的處理。在線性光學(xué)量子計算中，傳統(tǒng)處理方法是采用弱泵浦非線性相互作用，從而產(chǎn)生低壓縮度的雙模壓縮真空態(tài)。

將一個輸出臂發(fā)送到單光子探測器，能夠以低概率預(yù)測單光子狀態(tài)，從而提供一種概率性產(chǎn)生高純度單光子的來源，進而用于雙通道量子比特編碼方案。這時，只要能夠有效抑制復(fù)用器組件的光學(xué)損耗，便可將計算所需概率提升至足夠水平。

但是，即使量子比特的生成概率已經(jīng)足夠高，使用單光子的雙通道編碼比特來實現(xiàn)量子門操作仍然是不確定的，這導(dǎo)致在輸入態(tài)合成之后需要額外的多路復(fù)用處理。此外，要實現(xiàn)通用量子門組操作所需的單光子探測器，會導(dǎo)致幾乎所有組件都得集成在低溫環(huán)境中運行。

GKP 提供了一種極具優(yōu)勢的光子量子比特編碼方案，規(guī)避了在實現(xiàn)光學(xué)量子門時的諸多挑戰(zhàn)。通過充分利用光學(xué)模式所承載的無限維希爾伯特（Hilbert）空間，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)量子比特態(tài)的制備，并且僅需借助分束器、相位調(diào)制器和零差探測器即可完成克利福德門（Clifford gates）操作。

需要說明的是，希爾伯特空間（Hilbert space）是描述量子系統(tǒng)狀態(tài)的核心數(shù)學(xué)框架，克利福德門（Clifford gates）是量子計算中一類特殊的邏輯門操作。非克利福德門則是通過制備“魔法態(tài)”（magic states）來實現(xiàn)的。

GKP 這類量子態(tài)本身具有對高斯誤差的天然抗性。它的用途不僅限于純粹的計算領(lǐng)域，在量子通信和傳感應(yīng)用中，它也是很有前景的候選方案。

一個完整的量子計算架構(gòu)包含三個階段：初始態(tài)制備、態(tài)純化與簇態(tài)合成，其中光學(xué) GKP 量子比特的制備是關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。高質(zhì)量的 GKP 態(tài)已在離子阱與超導(dǎo)電路平臺上實現(xiàn)，但若將其用于這些體系的大規(guī)模量子計算，則難以獲得光子體系所具有的可擴展性和組網(wǎng)便利性。

為了充分發(fā)揮 GKP 量子比特的優(yōu)勢，亟需在光學(xué)領(lǐng)域中實現(xiàn)一種能夠產(chǎn)生這類量子態(tài)的光源，而這便是 Xanadu 團隊開展此次研究的背景。

圖 | Xanadu 公司內(nèi)部（來源：Xanadu）

有望開發(fā)可用于光子量子計算的可行構(gòu)建模塊

據(jù)了解，Xanadu 團隊所采用的特定光子集成電路經(jīng)過了精心挑選，以便在存在適度光損的情況下生成具有豐富特征的 GKP 態(tài)，并且無需在觸發(fā)檢測后增加復(fù)雜的后續(xù)處理階段。

盡管他們已經(jīng)證明該器件架構(gòu)在原理上足以生成與容錯兼容的 GKP 態(tài)，但所需損耗必須低于 1%。對于全規(guī)模系統(tǒng)來說，當使用大量光子數(shù)分辨（PNR，photon number resolving）結(jié)果來觸發(fā)量子態(tài)，并且在高斯玻色子采樣（GBS，Gaussian boson sampling）設(shè)備實施多路復(fù)用和增殖處理，就能夠提高成功概率、態(tài)質(zhì)量和整體損耗容忍度，這時使用兩到三個模式的高斯玻色子采樣設(shè)備往往更為理想，從而能夠?qū)崿F(xiàn)大約 1% 的損耗容忍水平。

實驗中，Xanadu 團隊采用的四模高斯玻色子采樣裝置架構(gòu)，隸屬于該公司此前研發(fā)的同一“階梯型”（staircase）裝置家族，它能被加以輕松改造以便整合到全規(guī)模系統(tǒng)之中。

（來源：Nature）

隨著所產(chǎn)生的態(tài)的質(zhì)量的提高，通過接受由更多結(jié)果觸發(fā)的態(tài)就能夠同時提高概率，以及通過基于測量的壓縮或自適應(yīng)增殖操作，來解釋晶格結(jié)構(gòu)中的小偏差。

當損失水平進一步降低，本次實驗中使用的設(shè)備將能產(chǎn)生具有足夠容錯質(zhì)量的量子態(tài)。

目前的實驗已經(jīng)滿足了位置和動量這兩方面所需的峰值數(shù)量。如下圖所示，通過降低光學(xué)損耗可以有效提升壓縮效率。

（來源：Nature）

實驗中，Xanadu 團隊選用了特定的光子電路，目的是在中等損耗的情況下產(chǎn)生具有豐富特性的 GKP 態(tài)。

Xanadu 之前已經(jīng)證明了其容錯量子計算機所有組件的可擴展性，這些組件包括壓縮態(tài)陣列、光子數(shù)分辨探測、快速可重構(gòu)的線性光學(xué)器件以及相干檢測。

而在本次研究之中，Xanadu 團隊證明，其中若干元件能夠以遠高于以往的性能水平實現(xiàn)，因此在未來有望開發(fā)出可用于光子量子計算的可行構(gòu)建模塊。

未來，Xanadu 團隊計劃通過進一步降低損耗水平來提高 GKP 量子比特的質(zhì)量。此外，他們還致力于提高量子態(tài)的產(chǎn)生概率，并研究將此類量子態(tài)提煉成更高質(zhì)量量子態(tài)的方法。

參考資料：

https://www.xanadu.ai/blog/the-photonic-qubit-of-the-future

https://en.wikipedia.org/wiki/Xanadu_Quantum_Technologies

https://www.linkedin.com/company/pennylaneai/posts/?feedView=all

運營/排版：何晨龍