光子学助推量子计算，这两家公司率先出发......

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近年来，量子计算取得了令人瞩目的进展，世界各地的研究团队采用各种方法来构建能够解决复杂计算任务的量子计算机。量子光子学是取得这些进展的关键技术之一，它使用光粒子（光子）来编码和操纵量子信息、光子学利用标准光纤实现了量子光子芯片的直接模块化和网络化。这种方法简化了大规模量子系统的构建，支持长距离水平扩展，类似于数据中心或高性能计算机。

光子学在量子计算机的发展中发挥着至关重要的作用，它提供了一种确保可扩展结构的解决方案。光子的量子态对退相干具有很强的抵抗力，使其不易受到可能破坏其量子态的意外相互作用的影响。虽然光子之间很少有自然的相互作用，但科学家们已经设计出了创新方法，让它们进行交流并形成多量子比特门。例如，其中一种方法涉及光子存储环和散射单元，光子被保存在光纤环中，并通过操纵与单个原子相互作用；这种相互作用会产生纠缠态——量子计算的基本要求。

光子学的优势包括组件简单、可灵活运行各种量子操作，以及在实际环境条件下的卓越性能。该技术与现有电信光源和硅芯片制造方法的兼容性加速了量子计算研究的进展。从容错量子计算机到用于边缘的存储计算机，光子技术正被用于为各种量子计算机提供动力。

量子计算利用量子力学原理，以前所未有的速度进行复杂计算。

总部位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的初创公司PsiQuantum旨在开发和部署实用的容错量子计算机。光子技术在利用集成光子元件生成、操纵和测量这些光子量子比特方面发挥着至关重要的作用。

“量子光子芯片可以使用标准光纤进行联网，无需进行传输，”PsiQuantum公司联合创始人兼首席战略官Pete Shadbolt曾表示：“这就实现了系统的直接模块化和解耦，以及远距离水平扩展，从而形成了一个可以用光纤进行模块化和联网的完整系统，其方式与数据中心或高性能计算机基本相同。”

PsiQuantum公司的基于融合的量子计算架构涉及生成、纠缠和测量单光子，以合成量子纠错码。这种架构需要先进的光子元件，包括伪数字解析单光子探测器、高速多端口光开关和低温兼容光电子封装。

Shadbolt 说：“量子光子技术在大多数情况下可以利用现有的基础设施、工具和专有技术进行大批量半导体制造、封装和系统集成。考虑到任何一种容错量子计算所需的系统规模和复杂性，已经为商业集成光子学应用建立起来的可靠性、吞吐量和流程控制具有巨大优势，在我们看来，这种杠杆作用大大加快了大型系统的发展速度，并降低了风险。”

光子技术在量子计算领域的一大优势是与现有基础设施和大批量半导体生产制造工艺的兼容性。PsiQuantum公司表示，该公司在集成光子学的半导体工艺开发方面投入了大量资金，从而实现了高效的制造工艺。此外，光子量子比特的物理特性使量子计算在规模上更具优势：光子的使用允许更高的工作温度，为冷却功率提供了更大的余地，并使系统免受某些退相干源的影响，提高了整体稳定性。

在PsiQuantum公司开发大规模量子计算机的同时，总部位于弗吉尼亚州的初创公司Quantum Computing也推出了一款“水库”(reservoir)计算机，用于应对边缘计算挑战。

“水库”量子计算机与计算机鼠标的尺寸对比

这款便携式硬件设备只有小型电源包大小，旨在让个人和小型企业都能用得起神经形态硬件。这种方法利用被称为“水库”的固定非线性系统的动力学，将输入信号映射到更高维度的计算空间。该公司表示，其“水库”计算机易于训练、处理速度快、能效高，并能解决典型递归神经网络中梯度爆炸和消失等难题。

QCI首席执行官罗伯特·利斯库斯基(Robert Liscouski)介绍说：“与传统计算机不同，水库计算机实现了计算平价，而无需在训练过程中承担高昂的电力成本。它的主要优势在于速度、计算能力和在边缘运行的能力。”

该公司声称，“水库”计算机在混沌时间序列预测、雷达信号分类和语音识别等随时间变化的任务中表现出卓越的性能。该公司预测，随着其“水库”计算机的推出，包括计算成本和技术复杂性在内的传统水库计算应用障碍将被打破。

公司表示，与传统计算机相比，其水库计算机所需电力大幅减少（约80%至95%），并可通过以太网连接与主机对接。该计算机可作为机器学习特定任务的计算平台，提供比原始数据更高的维度，以获得更详细的见解，并缩短训练时间。“水库”计算机的目标是用于各行各业，从数据分析和优化到模式识别和预测。

“基于光子学的方法是一种高度迭代且具有技术优势的方法，”利斯库斯基说：“利用光子学的固有能力，如室温操作、固有相干性和稳定的纠缠光子，我们的目标是实现量子计算技术的民主化和广泛应用。我们正在将这些创新引入市场，充分利用光子学的基本优势。”

该公司最近宣布获得一项分包合同，为美国国家航空航天局艾姆斯研究中心建造和测试一台光子传感器仪器。该仪器将为美国国家航空航天局艾姆斯研究中心提供对云层、气溶胶、烟雾和火山灰等大气微粒的精确测量。根据之前与NASA签订的分包合同，QCI公司还利用其光子激光雷达和“水库”光子计算系统远程测量不同类型雪堆的物理特性，包括密度、颗粒大小和深度。

向成像、传感和网络安全等不同量子领域的拓展，展示了光子学在量子计算应用中的潜力。

光子学为实现量子计算机的全部潜力带来了巨大希望。虽然该技术仍处于早期阶段，但它可以解决可扩展性和退相干性的挑战，这对于构建容错量子计算机和将量子计算带入边缘至关重要。

不同的团队正在探索广泛的潜在用例，包括金融应用、机器学习和优化。随着光子学的不断进步，我们有望看到强大的量子纠错技术，以及在化学、材料科学、能源和医疗保健等领域实现有商业价值的应用。

参考链接：

[1]https://www.psiquantum.com/

[2]https://www.quantumcomputinginc.com/

[3]https://www.eetimes.eu/photonics-and-quantum-computing-a-new-frontier-in-information-processing/