摘要：多年来，量子计算企业一直在努力往芯片里塞尽可能多的量子比特，并互相比拼这方面的成效。但可制造性和连通性方面的挑战使堆砌量子比特的策略受到限制。目前从业者将目光转向了连接多个量子处理器以构建足够大规模的计算机来解决现实需求。

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多年来，量子计算企业一直在努力往芯片里塞尽可能多的量子比特，并互相比拼这方面的成效。但可制造性和连通性方面的挑战使堆砌量子比特的策略受到限制。目前从业者将目光转向了连接多个量子处理器以构建足够大规模的计算机来解决现实需求。

2025年1月，加拿大量子计算公司Xanadu推出了所谓的“首台模块化”量子计算机。Xanadu的方法是选用光子作为量子比特，当然，这只是替代建经典比特的诸多选项之一。

在同月《自然》杂志发布的一篇论文中，该公司的研究人员概述了他们如何将35个光子芯片和13公里长的光纤连接到4个服务器机架上，从而创建一台12个量子比特的量子计算机，名为Aurora。

现阶段量子计算机的量子比特数看起来已经很多了，不过Xanadu方面表示，他们的设计展示了模块化架构的所有关键组件，而模块化将使机器的量子比特扩展至数以百万计。

如今，Xanadu并非唯一一家专注于模块化的公司。老牌巨头IBM和量子计算新贵IonQ都已开始着手连接各自的量子处理器，IBM希望于2025年晚些时候展示模块化设置。此外，还有几家初创公司正开拓自己在行业内的生态位，打造模块化转变所需的支持技术。

Xanadu首席执行官克里斯蒂安·韦德布鲁克（Christian Weedbrook）表示，大多数企业早就认识到模块化是扩大规模的关键，但到目前为止，他们优先开发核心量子比特技术——这被普遍视为更大的技术挑战。鉴于最大的处理器已拥有超过1000个量子比特了，鉴于实用芯片实现在望了，韦德布鲁克判断行业焦点正在移转。

“要触及100万个量子比特，也就是能真正开始解决客户的实际问题，你就不可能把它们全堆一块芯片上。要真正扩大规模，模块化网络是唯一方法。”

Xanadu采取了一种非传统的方法，首先关注可扩展性问题。不同于IBM和谷歌使用的超导量子比特，依托量子计算的光子学的最大优势之一在于，这些机器与传统网络技术兼容，这就简化了连通性问题。

然而，由于光损耗高，Aurora不足以开展实用的计算。光子在穿过光学元件时会被吸收或散射，从而产生误差。Xanadu的目标是在未来两年内开发更好的组件并优化架构以求最小化损耗。他们计划于2029年开始建设量子数据中心。

2025年的IBM大概也会在模块化量子计算领域取得重大进展。他们设计的一款名为Flamingo的处理器将两个156个量子比特的Heron处理器与内置量子通信链路配对。今年晚些时候，IBM计划连接多达7个Heron，打造一个拥有超过1000个量子比特的模块化Flamingo处理器。

模块化量子计算的路线图

IBM Quantum的首席技术官奥利弗·戴尔（Oliver Dial）表示，模块化一直是IBM量子路线图的核心。尽管在堆积量子比特数量方面，IBM总处于领先地位，但芯片尺寸终究是老生常谈的限制。戴尔表示，随着芯片尺寸扩张，连接控制电子设备的难度也越发增长。使用更小型、可测试且可替换的组件来构建计算机能简化制造和维护工作。

不过IBM用的是超导量子比特，其运行速度快，制造相对容易，而网络友好度不如其他量子技术。这些量子比特以微波频率运行，因此无法轻易与光通信配合，这要求IBM开发专用耦合器以连接相邻的和更远的芯片。

IBM还在研究量子转导——将微波光子转换成可通过光纤传输的光频率。但戴尔表示，目前相关演示的保真度还远达不到要求，因此转导尚未列入IBM的官方路线图。

IBM计划今年连接多达7个156个量子比特Heron处理器，以推出模块化、1000个量子比特以上的Flamingo 处理器

基于束缚离子（或称陷俘离子）和中性原子的量子比特直接与光子相互作用，使光网络更有可行性。2024年10月，IonQ展示了在不同处理器上纠缠束缚离子的能力。每个芯片上与离子纠缠的光子通过光纤电缆传输，并在称作“贝尔态分析仪”的装置处相遇，光子也于此处发生纠缠，它们的组合状态被分析仪测量。这个过程使得最初与光子纠缠的离子通过所谓的纠缠交换而产生联系。

IonQ的系统架构和性能高级总监约翰·甘布尔（John Gamble）表示，要将此扩展到能连接众多量子处理器的水平，还需完成大量工作。目前贝尔态分析仪通过自由空间光学元件实现，其小型化和制造过程需利用集成光子技术。此外，光纤噪声大，这意味着通过此类通道产生的纠缠质量相对较低。为解决问题，IonQ计划生成许多弱纠缠的量子比特对，并通过一些操作将其提炼为数量较少的高质量纠缠，但要实现足够高水平的高质量纠缠率，难度依然很大。

法国初创企业Welinq正尝试在互连中加入量子存储器来解决这个问题。公司首席执行官汤姆·达拉斯（Tom Darras）表示，光子互连的纠缠效率之所以低下，原因之一在于，所需的两个光子经常于不同时间点发射，因此它们往往“错过”彼此而无法纠缠。添加存储器可以创建一个有助于同步光子的缓冲区。

达拉斯说道：“当你需要它们相遇时，它们就会相遇。这些技术使我们能足够快速地创造纠缠，用以分布式计算。”

模块化量子计算机

距离实用能干还有多远？

如果成功连接了多个量子处理器，下一个挑战就是怎样在它们之间运行量子算法。这也是为什么Welinq还开发出一款量子编译器araQne——决定如何在多个处理器之间划分算法，同时最大程度地缩减通信开销。

牛津大学科学家近期取得了这方面的突破，首次令人信服地演示在两个互连处理器上运行的量子算法。他们实现了不同设备上的两个束缚离子量子比特之间的逻辑运算。量子比特借助光子连接实现纠缠，处理器执行Grover搜索算法的一个非常基础的版本。

最后一道难题是搞清楚如何调整纠错方案以适应这种模块化未来。专注于创建高性能量子网络解决方案的初创公司Nu Quantum最近证明，分布式量子纠错不仅可行，而且高效。

Nu Quantum首席执行官卡门·帕拉西奥斯-贝拉克罗（Carmen Palacios-Berraquero）表示：“这是一项非常重大的成果，让分布式量子计算和模块化首次成为一个真正意义上的选项。过去我们不知道如何以容错方式做到这点，不知道它是否高效，是否可行。”

资料来源：

The Future of Quantum Computing Is Modular

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来源：世界科学