在量子計算領域，有一家美國初創(chuàng)公司正在追逐一個看似遙遠的目標：利用光子打造強大的量子計算機。
到目前為止，這家名為 PsiQuantum 的公司已經(jīng)籌集了超過 10 億美元資金，估值超過 30 億美元，其雄心勃勃的計劃正引來越來越多的關注。
2016 年，PsiQuantum 公司創(chuàng)始人杰里米奧布萊恩（Jeremy O'Brien）與三位學者一起創(chuàng)立了該公司。
短短八年間，這家總部位于美國加利福尼亞州帕洛阿爾托的公司已發(fā)展成為擁有 350 名員工的企業(yè)，其資金儲備可能已經(jīng)與谷歌或 IBM 的內(nèi)部量子計算項目相當。
PsiQuantum 的技術路線與其他主要競爭對手有著本質(zhì)區(qū)別。傳統(tǒng)的量子計算公司通常使用原子、離子或超導材料制成的量子比特，這些都是具有質(zhì)量且通常固定在某個位置的物理對象。
而 PsiQuantum 選擇了一條不同的道路，使用沒有質(zhì)量的光子，也就是光的粒子，作為量子比特，這些被稱為“飛行量子比特”的光子具有獨特優(yōu)勢。
圖 | PsiQuantum 的原型低溫柜（來源：PsiQuantum）
在技術層面，PsiQuantum 的方法“理論上很簡單”。他們使用一種叫做光束分束器的光學設備，將單個光子同時發(fā)送到蝕刻在硅片上的兩條路徑（波導）中。由于光子沒有電荷和質(zhì)量，它們基本上不受周圍環(huán)境的影響。
這意味著即使在室溫下，基于光子的量子比特也能避免困擾其他硬件的許多類型的噪聲干擾。這種保持量子信息并能高速長距離傳輸?shù)哪芰Γ寴嫿ù笠?guī)模高速系統(tǒng)成為可能。
然而，這條技術路徑也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，難以按需產(chǎn)生近乎相同的單個光子；其次，光子容易被吸收和損失；最困難的是，讓這些“飄忽不定”的粒子相互作用。
為了解決這些問題，PsiQuantum 公司投入了大量資源進行技術創(chuàng)新。例如，他們建立了自己的設施來生長高純度的鈦酸鋇晶片，希望用這種材料高效地引導光線。
在制造方面，PsiQuantum 與美國半導體巨頭格羅方德（Global Foundries）建立了合作伙伴關系。他們的光子器件將采用 45 納米技術，工藝流程包含 35 層和 600 多個步驟。
所有組件都使用 C 波段波長，以便與光纖通信兼容，為設計的靈活性和新功能的開發(fā)提供了更多可能性。
目前，PsiQuantum 已經(jīng)在英國建造了小型光子系統(tǒng)，一個更大的系統(tǒng)正在美國斯坦福直線加速器中心安裝。用于斯坦福項目的大型制冷器已經(jīng)完工，正在等待安裝輸送氦氣的管道系統(tǒng)。
根據(jù)計劃，這些制冷器將在今年年底前在斯坦福安裝完成，2025 年將安裝大量單光子源用于系統(tǒng)評估。
在澳大利亞布里斯班，PsiQuantum 獲得了 6.2 億美元的政府資金支持，計劃到 2027 年建成第一臺實用規(guī)模的容錯光量子計算機。
此外，該公司將作為美國伊利諾伊量子和微電子園區(qū)的主要承租方，獲得 30 年內(nèi)價值 5 億美元的稅收優(yōu)惠，并計劃建造一臺百萬量子比特的光量子計算機。
盡管公司獲得了巨額投資和政府支持，但也面臨著質(zhì)疑。一些科學家擔心公司承諾的目標可能難以實現(xiàn)。
美國加州大學伯克利分校的量子物理學家西蒙科爾科維茨（Shimon Kolkowitz）認為，押注 PsiQuantum 是“風險極高的”。
與其他競爭對手相比，該公司展示的成果相對較少，他們沒有選擇逐步展示幾十或幾百個量子比特的系統(tǒng)，而是直接瞄準需要約百萬量子比特的大型機器。
對此，該公司高管對媒體表示，他們已經(jīng)取得了比公開展示更多的進展，投資方也已經(jīng)仔細審查了他們的計劃。奧布萊恩談到這些挑戰(zhàn)時用的都是過去時，并堅持認為成功幾乎是毫無疑問的。
一些獨立研究人員也認為該公司的計劃是可行的。法國國家科學研究中心的量子光學物理學家帕斯卡爾塞內(nèi)拉爾（Pascale Senellart）稱，這是“一場令人驚嘆的賭注，非常值得探索”。
如今，PsiQuantum 正在英國建造原型機，這些設備高約 2 米，包含了低溫制冷設備和許多必要的計算組件。并且，更大規(guī)模的設備將于 2025 年在美國投入使用。
根據(jù)奧布萊恩的說法，PsiQuantum 的最終計算機將需要約 100 個這樣的設備，占地面積相當于一個倉庫。
總的來說，在這個充滿不確定性的量子計算競賽中，PsiQuantum 選擇了一條與眾不同的道路。盡管面臨諸多質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，當前科技界仍在密切關注它能否成功打造出世界上第一臺實用的光量子計算機。
參考資料：
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03827-y
https://www.psiquantum.com/
https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2024/08/21/psiquantum-is-closing-in-on-fault-tolerance-and-a-million-qubits/
運營/排版：何晨龍
