編者按：使用光纖作為光量子的內(nèi)存，進而用光量子內(nèi)存來提升容錯量子計算的量子比特數(shù)目，是近年來在光量子計算中興起的方向。中國的玻色量子團隊在多年研發(fā)基礎上提出的“天工光量子計算架構”[3]就采用了這樣一種方向。無獨有偶，在美國著名光量子計算公司PsiQuantum的方案中，也采用了這種方案。本文就根據(jù)PsiQuantum發(fā)表的兩篇論文，解讀其可擴展光量子通用計算方案。
PsiQuantum是美國最領先的量子計算創(chuàng)業(yè)企業(yè)之一，主攻光量子計算技術路線，由著名量子計算專家Jeremy O'Brien于2016年創(chuàng)立，PsiQuantum 的目標是用傳統(tǒng)的硅芯片技術流程來制造使用光量子的商用量子計算機。PsiQuantum 擁有一個由世界級工程師和科學家組成的團隊，致力于整個量子計算堆棧的研究，涵蓋了光子、電子控制，光電芯片封裝、低溫系統(tǒng)、量子架構和容錯、量子應用等各個方面。
根據(jù)相關公開報道透露，PsiQuantum 正在研發(fā)和生產(chǎn)量子光子芯片和用于控制量子位的低溫電子芯片，并宣布與全球領先的專業(yè)晶圓代工廠Global-foundries（格芯）合作，通過使用格芯公司的半導體制造工藝制造其量子核心組件。由于對光量子計算路線和工程實現(xiàn)能力的認可，PsiQuantum 也是全球范圍內(nèi)完成融資金額最高的量子計算企業(yè)。迄今為止，該公司已經(jīng)籌集總計6.65 億美元的資金。
PsiQuantum認為，有用的量子計算機至少需要100 萬個物理量子比特，以滿足容錯和糾錯的需求。因此，光量子通用計算方案的架構及其可擴展性是他們研究的重點。
2021年，PsiQuantum連續(xù)發(fā)表了兩篇重磅論文：Fusion-based quantum computation [1] 和Interleaving: Modular architectures for fault-tolerant photonic quantum computing [2]，揭示了其在可擴展通用光量子計算的基本原理以及架構。特別在論文[2]中，PsiQuantum的研究人員提出了模塊化的容錯光量子計算的架構，第一次完整展示了其走向百萬光量子比特的技術路線，印證了新一代具備光子處理模塊，數(shù)字處理模塊和光纖內(nèi)存的光量子計算架構的可擴展性和先進性。
論文[2]再次陳述了光子作為量子比特的不一樣的特性。在其它使用固態(tài)量子的大規(guī)模計算架構中，如在超導技術路線中，量子比特一般是以陣列的方式呈現(xiàn)，可以長時間存儲量子信息，并對其進行門操作和測量。而光量子的相干性優(yōu)異，但是飛行光子的缺點是易損耗，測量完之后即被銷毀。因此PsiQuantum此前研究了更適合光量子的容錯計算的方式，也就是Fusion-Based Quantum Computing（基于融合的量子計算，F(xiàn)BQC）。
在光子FBQC架構中，有兩個核心設備：
- 資源態(tài)生成器（resource-state generators，RSG），用于周期性生成少量光子的糾纏組成的資源態(tài)（resource state），或者說小規(guī)模的簇態(tài)（cluster state）；
- 融合設備（fusion devices），通過對兩個或多個資源態(tài)，進行少量光子糾纏的測量，并把這些資源態(tài)融合成更大的簇態(tài)。
根據(jù)論文[1]中FBQC的工作，已經(jīng)證明了系統(tǒng)里同時存在的單光子的數(shù)量相當于量子比特的數(shù)量，計算速度由物理的糾纏測量速度，即資源態(tài)的融合操作速率決定。所以一個動態(tài)的基于RSG的設備，和一個靜態(tài)量子比特設備計算能力是一致的。
圖中的RSG為生成環(huán)狀簇態(tài)的資源，F(xiàn)為融合操作，1、L、L2為人為設置的延遲周期。那么只需要一個RSG，就可以生成L2個簇態(tài)
但是，有了以上兩種設備還不夠，要進一步擴大這種光量子計算的量子比特規(guī)模，論文[2]就提出了時分復用的思路，并構建了“光纖內(nèi)存”這一重要模塊。如果我們用時分復用的方式，每1ns有一個光子進入光纖，那么1公里的光纖內(nèi)存可以暫態(tài)存儲超過5000個光子。
低損耗光纖是光量子計算架構中負責提供大容量量子內(nèi)存的核心部件。簡單來說一個光子在低損耗光纖里傳輸1公里，仍舊有超過95%的概率幾個毫秒后從光纖的另一端出來，這樣的損耗率可以用容錯FBQC來解決。
通過結(jié)合RSG、融合設備和光纖內(nèi)存的架構設計，就可以實現(xiàn)具備容錯量子計算的數(shù)千個物理量子比特的計算能力。另一方面，把多個RSG連接成網(wǎng)絡就可以實現(xiàn)完整的通用邏輯門計算。同樣的規(guī)模在靜態(tài)量子比特中，比如超導量子比特，需要每個RSG有5000個物理量子比特作為數(shù)據(jù)存儲才能實現(xiàn)。
這樣看來：PsiQuantum的這一架構與玻色量子提出的“天工光量子計算架構”模塊化架構可謂殊途同歸：RSG等設備對應的就是光子處理模塊部分，而融合設備等對應的是數(shù)字處理模塊，最后都采用了時分復用的光纖作為內(nèi)存：
最后PsiQuantum的論文[2]中研究了光子FBQC，光纖內(nèi)存和拓撲容錯協(xié)議之間的結(jié)合，同時達到以下三個目標：
1. 單個RSG比一個靜態(tài)量子位要強大得多。通過在低損耗介質(zhì)(如光纖)中臨時存儲光子資源狀態(tài)，RSG中可以同時存在多達數(shù)千個現(xiàn)有的資源狀態(tài)。這使得每個RSG能夠模擬數(shù)以千計的靜態(tài)物理量子比特，以實現(xiàn)容錯的量子計算。
2. 光子FBQC的架構是高度模塊化和可擴展的。大規(guī)模容錯量子計算機可以通過使用相同計算模塊組成網(wǎng)絡而構建出來。模塊由一些融合設備和宏觀光纖延遲組成，這些延遲用來做存儲器，并在模塊之間進行連接。因此，在擴展這樣的量子計算機時，主要的挑戰(zhàn)是構建許多相同的RSG，而不是一大堆靜態(tài)量子位。RSG提供了一種替代方法，可以用來擴大非光子物理基礎器件的量子比特規(guī)模，如固態(tài)量子比特等。只要能夠轉(zhuǎn)化到合適的光子，就可以將它們作為嵌入大規(guī)模光子體系結(jié)構中的自主操作的RSG來使用。
3. 模塊化組件之間的宏觀光學連接可以降低邏輯操作的成本。RSG產(chǎn)生的光子可以傳播很遠的距離，而且不像傳統(tǒng)架構那樣的受到局域約束的影響。RSG之間的非局域連接提供了一套新的工具，能更有效地實現(xiàn)邏輯操作。
