通用光子量子计算机，2026年实现？

荷兰量子光子学初创公司QuiX Quantum已经制定了清晰的研发路线图，旨在展示其量子计算机的三个发展阶段：首先是通用性，其次是可纠错，最后是容错性。该公司最近获得的1500万欧元A轮融资将帮助其从理论走向实践。

光子与氮化硅 

QuiX Quantum的技术路径以光子量子计算为中心，其中光子量子比特使用光子作为量子信息的载体。光子量子系统在通信和可扩展性方面具有优势，因为光子可以长距离传播且损耗极小。近年来，解决光子量子计算中的关键技术挑战（即光子态的生成和纠缠）已变得可行。该公司还坚信，在光子系统中实现纠错可能比在其他量子计算模式中更容易。

光子量子计算机的另一个独特优势是其核心组件在室温下运行，这降低了运营成本并使计算机更易于维护。“QuiX Quantum的量子计算机专为在数据中心使用而设计，无需改造复杂的液氦冷却基础设施，”QuiX Quantum的首席执行官Stefan Hengesbach表示。“由于我们的量子比特被编码在以光速通过标准电信光纤的光子中，因此光子计算机具有高度可扩展性，并在各类量子计算机中拥有最高的时钟速度。”

QuiX Quantum的处理器芯片基于氮化硅（SiN），这种材料以其低光损耗和宽光谱覆盖范围而著称。“光子量子计算机对噪声非常不敏感，并且在室温下工作，”Hengesbach说。“然而，这些系统中的主要误差是光子损耗。……光子量子计算机对总传输的光子损耗有一个阈值要求，而氮化硅芯片可以在该阈值以下工作，从而实现量子计算。”

从玻色子采样器到通用性

QuiX Quantum成立于2019年，是荷兰特文特大学的衍生公司，其收入来自销售处理器和量子计算机。2022年，它成为首家向德国航空航天中心（DLR QCI）出售8量子比特和64量子比特光子量子计算机的公司。两年后，它开始提供对其量子系统的云访问，为混合计算创建了一个平台，并将近期量子计算带入基础设施、国防、医疗和IT等领域的实际应用中。

该公司还开发了一台非通用的量子计算机，目前运行着一个玻色子采样器。该计算机的核心是公司的量子光子处理器，其形式为一个可重编程的干涉仪。

“玻色子采样器就像一个由交叉点组成的巨大棋盘，”Hengesbach说。“所有输入都可以与其他所有输入相互作用。其优点是我们可以后选择性地查看结果，并简单地丢弃个别测量值。缺点是该设备不是确定性的，并且尺寸会平方级增长。例如，如果我们有100个量子比特输入，我们就必须建造大约100×100个交叉点，以便所有输入都能直接相互干涉。”

但Hengesbach补充说，“通用的基于测量的量子计算机克服了这两个限制。它需要的交叉点少得多，但也需要能在每个工作周期提供足够光子的光子源。从玻色子采样器到通用量子计算机的飞跃是一项巨大的技术进步。”

QuiX Quantum已从单纯的处理器制造商转型为系统供应商。“实现通用性比增加‘量子模式’（qumodes，相当于处理器的出入口）的数量更重要，”Hengesbach说。虽然该公司已将其处理器的量子模式从20个扩展到32个和50个，但其下一个目标是交付一台8量子比特的通用量子计算机，并展示其自研单光子源的性能。

“Qumode”是QuiX Quantum最初对其信息载体的术语，但为了便于行业比较，该公司后来采用了更为广泛认可的“量子比特（qubit）”。Hengesbach解释说，一个qumode代表处理器内的一条量子化光路。为了执行有用的操作，qumode必须被耦合，允许光从一条路径“跳跃”到另一条。这种耦合能力是QuiX Quantum专用量子计算机及其作为独立组件供应的处理器的核心。

QuiX Quantum使用双轨编码等方法创建其系统量子比特，即一个光子通过一个50:50的分束器，并存在于两个波导的叠加态中。公司还采用压缩态等更先进的方法来创建量子比特。

“计算优势并不仅仅通过增加qumode的数量来实现。创造一个有用的设备还需要通用性和纠错能力，”Hengesbach说。

这两者都是由A轮融资所支持的持续开发的一部分。凭借这1500万欧元，QuiX Quantum计划在2026年前交付其第一代通用光子量子计算机。该系统将配备一个能够执行任何量子操作的通用门集，公司认为这是迈向大规模、容错机器的关键一步。

当被问及通用量子计算机在实际应用中如何发挥作用时，Hengesbach表示，其通用性使其能够运行“任何已知的量子算法，包括Shor算法和Deutsch算法。”他指出，首批有望超越经典计算机的算法可能“只需数百个逻辑量子比特”就能实现，他认为这个门槛在可预见的未来是可以达到的。在他看来，制药和化学工程的用例可以用相对较少的逻辑量子比特来解决，而国防和情报领域则需要中等数量才能提供价值。他指出，制造业的需求差异很大：像Grover搜索或数据库查询这样的任务需要大量的量子比特，而模拟新金属和复合材料则可以用相对较少的量子比特来完成。

“我们正在参与德国量子计算倡议（QCI）的一个旗舰项目，该项目已经订购了通用计算机，”Hengesbach说。“将这些原型进一步发展成交钥匙的工业解决方案是QuiX的核心使命。预计量子计算机的早期采用者到2040年可以实现预期附加值的90%，而QuiX的使命就是为这些早期采用者提供硬件。”

扩展与纠错

2026年的系统将实现一个通用门集，使其能够运行任何已知的量子算法。一个8量子比特的模型将首先亮相，64量子比特的版本计划不早于2027年推出。第二代系统将致力于集成纠错功能。

Hengesbach解释说，量子计算中的纠错依赖于将量子比特纠缠成原始态或逻辑量子比特的能力，从而创建信息的冗余，以便“即使一个光子丢失，关于态函数的足够信息仍然存在。”

引入纠错机制需要三个条件。首先，整个系统的错误率必须足够低，以便向逻辑量子比特中增加物理量子比特能提高计算成功的概率。其次，计算机必须能够在每个时钟周期可靠地生成足够的光子来产生一个逻辑量子比特。第三，一旦满足了前两个要求，系统就可以通过连接多个相同的计算机来进行扩展，当硬件紧凑且以高时钟速度运行时，这个过程效果最好。Hengesbach表示，QuiX正通过改进硬件以减少传输损耗、精心的系统设计和可靠的供应链来努力满足这些条件。

“一旦我们有了用于生成一个逻辑量子比特的模块化硬件解决方案，它就可以通过光纤电缆连接到相邻设备以扩展量子计算机，”Hengesbach说。“出于技术和经济原因，对于光子系统来说，首先在低于纠错阈值的条件下无显著损耗地产生这个逻辑量子比特是合理的。”

“顺便说一句，这些系统越快，它们就越紧凑，”他补充道。“由于它们的模块化，可以轻松地添加量子比特。与其他模式相比，在光子学中，首先显著提高质量，然后再进行扩展是有意义的。”

五年愿景

此轮A轮融资由Invest-NL和EIC基金共同领投，PhotonVentures、Oost NL和Forward.one也参与其中。在此之前，公司已完成两轮种子融资，总额为900万欧元，因此公司的总风险投资额达到2400万欧元。

2024年7月，QuiX Quantum入选欧洲创新理事会（EIC）加速器计划，该计划是欧盟委员会的一项倡议，旨在支持开发塑造市场技术的公司。这笔为期两年的拨款将有助于推进公司当前的发展路线图。

展望未来，Hengesbach预见在五年内，高度模块化的光子量子计算机将被安装在全球的数据中心中。“它们将是紧凑、节能且易于维护的，”他说。

目前，公司的近期重点是交付2026年的通用系统，并朝着可纠错、容错的架构迈进。“总的来说，我们的规划正在按计划进行，”Hengesbach说。“重点是开发一种可以扩展到大量物理量子比特的量子计算机，以便在未来达到100+个逻辑量子比特。”