硅光子学是量子计算的未来

Xanadu的X8光子量子计算芯片

硅光子学（SiPh），即在CMOS平台上制造集成光子学，近两年来一直是一个热门词，因为该技术具有良好的前景，可以为日益增长的人工智能传输需求负担的数据中心提供更快、更安全、更高效的解决方案。然而，硅光子学的潜力并不局限于传统的计算和通信领域。

Xanadu是一家成立于2016年的量子计算公司，总部位于加拿大多伦多，该公司一直致力于打造基于硅光子芯片的容错计算机。使用光子作为量子位元，Xanadu认为硅光子学将是实现能够在室温下运行的容错量子计算机的最快途径。

实现容错的竞赛

目前，有 量子计算机的几种类型 基于不同的原理，包括超导量子比特、量子点、离子陷阱和光子学。目前，它们之间肯定存在着激烈的竞争，其中许多方法都是通过它们使用的硬件类型来区分的。由于这些不同的方法仍处于原型阶段，不同类型的量子计算机适用于不同的近期问题，而所有这些近期问题都距离真正的商业应用有点短。理想情况下，如果建造量子计算机的所有方法都成功了，它们应该都是等价的，并且能够解决相同的问题。

为了达到这一点，我们需要实现容错和纠错，光子学将是被认为第一个达到这一点的。也是扩展速度最快的。强调可伸缩性和性能对于实现容错都非常重要。我们需要大量的量子比特来编码纠错，也需要高性能的量子比特。

光子学使人们能够以不同的模式将不同的芯片与光纤连接起来，获得比通常超导方法更好的连接。弗农表示，由于更好的连通性，人们可以访问更好的代码，特别是量子低密度奇偶校验（LDPC）码。

光子学确实是唯一可以访问它的方法，因为其他方法在它们的量子位之间的连接非常有限，而光子学可以利用光纤将量子位路由到任何你想要的地方。由于量子比特的数量——现在通常以百万计——已经成为正在进行的全球量子竞赛的代名词，光子学也将需要数百万个量子比特来提供优势。由于Xanadu能够使用更好的LDPC，它可以访问比竞争方法多10到100倍的逻辑量子比特。

研究人员认为，对于任何从事硅光子学制造的人来说，关注量子计算产业都是非常重要的。硅光子学提供的两大优势：可扩展性和室温量子计算。使得我们所有的实际计算都是在室温设备上进行的。

光子学将是实现规模化的最快途径

根据Xanadu的预测，一旦达到容错能力，并开始每年增加数百个逻辑量子位，仅Xanadu每年就需要数十万个300mm的芯片，因为量子计算机就像一个数据中心，需要数千或数百万的芯片来构建。这是一个非常重要的市场机会，在几年内基本上将直接与现在的硅光子芯片数量相比较。在未来几年，Xanadu希望实现容错，并将规模扩大到1000个纠错逻辑量子比特。那看起来就像是一个拥有大约1万个机架的数据中心，人们现在的主要优先任务是开发交付云部署、容错计算机所需的硬件。

从长远来看，硅光子学的使用有可能将量子计算机部署到更接近边缘的地方。从原则上讲，使用光子学的量子计算机不能在消费设备中使用，这没有根本性的原因，需要为此开发某些技术，但从根本上讲，这种能力是存在的，因为它们原则上都可以在室温下工作。然而，是否会有一个实用的应用程序，需要更多的时间来研究它看起来会是什么样子。

在全球竞争中错失机会的风险

在人工智能革命的前夕，尽管量子机器学习仍处于早期阶段，但已经进行了大量的工作。有很多算法开发正在进行，似乎量子计算机将能够以一种非常不同的方式解决某些机器学习任务的能力。然而，仍然需要大规模的容错量子计算机之前，人们还不能完全查询其含义。一旦这些东西已经扩大到非常大的规模，那么它可以解决传统的机器学习的基本操作-如矩阵运算-更有效地。

量子计算机不会取代数据中心，而是会增强数据中心，这表明量子计算并不能解决目前由边缘集群完成的计算问题和应用。跨越所有方法的量子计算所要解决的算法类型是完全不同的，它们是普通经典计算机完全无法访问的，由于所要解决的问题的数学结构。量子计算的发展不是一个渐进的东西，获得一个比现有技术略有优势。一个很好的例子是我们建造的最新的云部署的机器，Borealis，它能够以许多数量级击败世界上最强大的超级计算机。

从根本上说，量子计算解决的是一系列完全不同的问题，这些问题不能仅仅通过扩大数据中心来解决它开辟了应用市场，这是以前根本无法达到的，并将永远无法达到目前的技术。

鉴于量子计算的战略意义，一场全球竞赛正在进行。美国和欧洲在光子量子计算方面取得了轻微的优势，因为他们在过去几年里花了更多的时间，投入更多的相关关注。