光子难交互？新架构突破光量子计算关键瓶颈

利用光子处理量子信息，是构建下一代量子计算机最具前景的技术路线之一。光子是传递量子信息的优质载体，但光子本身不存在天然相互作用，这给科研人员带来巨大难题，难以搭建能够完成全套计算任务的系统。

如今，帝国理工学院物理系的研究人员与外部合作者开发出一套全新架构Clavina，攻克了这一长期存在的技术瓶颈。该研究发表于《自然‑光子学》。论文展示了一套可编程平台，可在同一系统内同时实现线性与非线性量子运算，拓展了光量子计算机的能力边界。

借鉴现代处理器设计的量子计算机

传统光子系统通常只能执行特定任务。若要处理不同问题，往往需要对底层硬件进行大规模改动。

为解决该问题，研究团队从经典计算机处理器中获取设计灵感。就像现代计算机可集成图形、人工智能、数据处理等各类专用组件，Clavina架构无需改动底层硬件，即可完成不同类型的计算任务。

可扩展通用光量子计算架构及典型应用示例。

该架构设置中央控制单元，在可编程光网络与专用非线性模块之间调度信息，无需重新设计整套系统，就能够新增功能模块。

论文第一作者、帝国理工学院玛丽・居里学者Shang Yu博士表示：“我们的目标是打造一套光量子处理器，相比此前设计，实现功能层面的阶跃式提升。我们全新的Clavina架构具备可扩展、模块化、可拓展的特点，能够根据计算任务调用不同的功能模块。”

Clavina平台性能验证

为验证这套平台的实际能力，研究团队利用Clavina完成两项复杂任务。

第一项是模拟玻色‑哈伯德模型，这是凝聚态物理领域的经典问题，用于描述量子粒子之间的相互作用。伦敦玛丽女王大学Jinzhao Sun博士称：“这套硬件的优势在于可以同时集成非线性运算与线性运算。借助这些运算，我们完成多体相互作用模拟，这类模拟在超导量子计算机上同样存在实现限制。”

第二项验证是以更高可靠性生成Gottesman‑Kitaev‑Preskill（GKP）态，它是量子纠错的核心资源。这类特殊量子态的编码方式，能够保护量子信息免受噪声与错误干扰，而噪声干扰正是下一代计算技术面临的核心难题。以往光量子方案生成GKP态只能依靠概率方式，无法按需稳定输出。本次实现更高一致性的生成方式，扫除了该技术走向实用化的一大障碍。

英国科研与创新署未来领袖基金获得者、帝国理工光量子计算项目负责人Raj Patel博士表示：“我们的架构可以生成薛定谔猫态、Gottesman‑Kitaev‑Preskill态这类特殊量子态，它们是容错量子计算的关键资源。架构中的非线性运算在物理层提供通用逻辑门集合，这正是未来实现玻色纠错码所必需的条件。”

落到实际应用层面，这套系统为具备自检纠错能力的量子计算机提供了核心基础组件。

系统的灵活性是另一大优势。论文共同作者、中国计量大学Ying Dong博士指出：“过去科研人员需要针对单一任务定制光量子硬件。而我们这套架构可切换不同功能模块，同一套硬件不用整体改造，就能实现多种功能。Clavina既可以求解图论问题、模拟量子系统，也能生成大规模纠缠态，以及用于量子纠错的资源态。”

随着量子计算系统的规模与复杂度持续提升，Clavina这类平台能够为光量子处理器提供一套开发框架，无需从零设计全新硬件，就可以应对不断出现的各类计算难题。