近日，一家名為 Xanadu 的加拿大初創公司打造出一臺名為 Aurora 的基於光子的量子計算機，其能在室溫下執行，未來有望用於藥物發現以及打造更節能的機器學習演算法，相關論文已發表在 Nature。
（來源：Xanadu）
該公司表示，這一量子計算機的成功打造“標誌著實現實用級量子計算的關鍵里程碑”。
Xanadu 的 CEO 兼創始人克里斯蒂安·韋德布魯克（Christian Weedbrook）在一份宣告中表示：“該行業面臨的兩大挑戰是提高量子計算機的效能（糾錯和容錯）和可擴充套件性（網路）。Xanadu 現在已經解決了可擴充套件性問題。”
（來源：Xanadu）
據介紹，這款量子計算機由 35 個光子晶片和長度為 13 公里的光纖組成，並分佈在 4 個伺服器機架上，這些伺服器機架能夠實現光互聯和聯網。
在打造這臺量子計算機時，該公司使用這些晶片構建了一個量子計算機的亞效能尺度模型，以便證明其功能性和可行性。
期間，該模型將所有原始元件組合為離散的、可擴充套件的機架部署模組。透過光纖互連聯網，累計 84 個壓縮器和 36 個光子數分辨探測器能在每個時鐘週期提供 12 個物理量子位元模式。
該公司表示，本次量子計算機合成了跨晶片糾纏、含 864 億模態的簇態，並展示了其能即時解碼和實現“層狀距離 -2 重複碼”（foliated distance-2 repetition code）的能力（注：“層狀距離-2 重複碼”是一種量子糾錯方面的特定編碼方式）。
截至目前，任何能夠落地的量子計算應用都需要至少數千個量子位元，甚至可能需要一百萬個量子位元。
於 2024 年首次亮相的谷歌量子計算機 Willow 有 105 個量子位元（全部構建在單個晶片上），而於 2023 年首次亮相的 IBM 的 Condor 量子計算機有 1121 個量子位元。
相比之下，Xanadu 公司的量子計算機僅僅需要 12 個量子位元。與此同時，其建立在伺服器機架上，這讓其規模非常容易被擴充套件。
圖 | 本次量子計算機的相關論文（來源：Nature）
五年內已釋出 3 篇量子相關 Nature 論文
為了打造本次量子計算機，該公司的硬體和架構團隊融合了光子晶片設計、封裝、電子和系統設計與整合等技術。
同時，他們還對本次量子計算機進行了一系列嚴格的基準測試。在其中一次測試中，他們讓本次量子計算機連續執行兩個小時。
值得注意的是，本次量子計算機使用的晶片基於商業可用的製造平臺。與此同時，這些平臺並沒有針對這款量子計算機進行專門最佳化。
同時，本次量子計算機基於該公司之前的成果打造而來。2021 年，該公司在 Nature 發文介紹了一款名為 X8 的系統。2022 年，該公司又在 Nature 發文介紹了一款名為 Borealis 的系統。這兩款系統的核心技術均被用於本次量子計算機之中。
圖 | 該公司先後於 2021 年和 2022 年發表的 Nature 論文（來源：Nature）
據介紹，Aurora 採用模組化設計，由四個相似的單元組成，每個單元安裝在比人體略高和略寬的標準伺服器機架中。
由於 Aurora 是一臺基於光子的量子計算機，這意味著它需要使用光子量子位元來處理數字，即根據演算法來使用透鏡、光纖和其他光學元件，並在多個晶片上組合和重組雷射束。
不過，該公司使用了一種獨特的設計方式：讓量子計算機執行的演算法答案對應於每個雷射束中的最終光子數。這種方法不同於其他公司的做法，比如谷歌和 IBM 都是利用超導電路的特性來編碼資訊。
據該公司介紹，本次量子計算機的伺服器也無需像超導量子計算機那樣保持低溫，所以在研發時無需使用太多低溫技術。
不過，儘管伺服器機架可以在室溫下執行，但是光子計數探測器仍然需要在另一個房間進行低溫冷卻。
無論如何，本次量子計算機的成功打造，都展示了專用模組化方法的有效性。這種模組化元件的組合表明，構建一臺具備糾錯功能的通用光子量子計算機所需的主要要素均已齊備。
此外，該公司所使用的架構以及對於穩健量子位元態的運用表明：在量子時鐘頻率和經典硬體控制所設定的嚴格限制條件下，諸如量子門操作、即時糾錯和解碼等關鍵量子計算過程是具備可行性的。
量子計算機的前景在於，它可以比傳統計算機更快地執行計算，並能解決一些目前無法解決的挑戰。但是，目前量子計算機的用途十分有限，原因之一便是因為它無法擴充套件。
當資料在任何兩個裝置（無論是量子裝置還是其他裝置）之間移動時，並非所有資訊都能傳輸。對於瀏覽網際網路來說，這不是什麼大問題，但對於量子計算來說這是一個特殊的挑戰，因為它必須在整個系統中保持糾纏，即粒子就算相距很遠也能保持連線狀態。
正因此，將量子計算機聯網是該領域實現“量子網際網路”願景的關鍵。假如這一願景可以成真，那麼不同的量子裝置就可以實現相互通訊。
正因此，對於本次成果美國東北大學量子計算研究員德維什·蒂瓦里（Devesh Tiwari）給予高度評價，他將 Xanadu 的進展比作建造酒店。其表示：“他們已經建好了一個房間，我相信他們還能建多個房間，但我不知道他們能否一層一層地建。”
與 IBM 的 Condor 量子計算機所需要的 1121 量子位元相比，Xanadu 的 12 個量子位元似乎微不足道。但是，光子量子計算機的量子位元對於環境噪聲不是那麼敏感，這使得它們更容易長時間地保留資訊。同時，透過傳統光纖來連線光子量子計算機在操作上也更加簡單。
（來源：Xanadu）
將在 2029 年建立量子資料中心，預計將擁有數千臺伺服器
另據悉，Xanadu 的 CEO 兼創始人克里斯蒂安·韋德布魯克（Christian Weedbrook）本科和博士均畢業於澳大利亞昆士蘭大學，先後學習物理學和量子專業。後來，他分別在美國麻省理工學院和加拿大多倫多大學從事博士後研究。
在多倫多大學從事博士後期間，在多倫多大學羅特曼管理學院 Creative Destruction Lab 種子期加速器的幫助之下，韋德布魯克創辦了 Aurora。
圖 | Xanadu 的 CEO 兼創始人克里斯蒂安·韋德布魯克（Christian Weedbrook）（來源：https://www.canadianinnovators.org/ceo-directory/christian-weedbrook）
目前，Xanadu 擁有 220 名員工，已從 Georgian Partners、OMERS Ventures 和 Radical Ventures 等投資者那裡籌集了 2.41 億美元。此外，加拿大聯邦政府的旗艦戰略創新基金還為 Xanadu 提供了 4000 萬美元的融資。
（來源：Xanadu）
未來，Xanadu 的目標是在 2029 年建立一個量子資料中心，預計該資料中心將擁有數千臺伺服器，其中包含 100 萬個量子位元。
然而，在實現上述目標之前，Xanadu 必須達到另一個重要的量子里程碑——實現容錯性。所有計算機都會出錯，但由於物理和硬體的原因，量子計算機比傳統系統更容易出錯。
這意味著它們執行的複雜演算法可能會產生不準確的結果，而且執行時間越長，風險就越大。
當前，量子計算公司都在試圖製造出出錯更少的裝置，並希望編寫能夠發現錯誤和修復錯誤的程式碼。
韋德布魯克表示，Xanadu 在過去一年半中顯著提高了晶片和其他光學部件的效能，但必須讓它們變得更好才能實現容錯性，同時還需要降低硬體成本。
弄清楚如何將數千個伺服器機架連線在一起形成一臺巨型量子計算機是一項艱鉅任務。不過，“隧道盡頭的光芒越來越亮了。”他說。
與此同時，為了推進其量子計算硬體的研發，該公司還打算再融資 1 億美元至 2 億美元。
此外，Xanadu 並不是唯一一家追求光子量子計算機的公司。包括美國的 PsiQuantum 公司和法國的 Quandela 公司，他們都在使用中性原子和離子等材料來構建量子系統。
未來，可能並沒有單一的量子位元型別會成為“贏家”，但是某些量子位元或許更加適合特定的應用。
參考資料：
https://www.technologyreview.com/2025/01/30/1110672/this-quantum-computer-built-on-server-racks-paves-the-way-to-bigger-machines/
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08406-9
https://xanadu.ai/blog/lighting-up-the-quantum-computing-horizon-with-aurora
https://betakit.com/xanadu-claims-breakthrough-with-new-photonic-quantum-computer-aurora/
排版：劉雅坤