加拿大Xanadu首席技术官：光量子将颠覆量子计算领域

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硅光子学（SiPh），是近两年的热门词汇之一，指的是在CMOS平台上制造集成光量子的技术。

随着人工智能传输需求的日益增长，数据中心的负担越来越重，该技术有望为数据中心提供更快、更安全、更高效的解决方案。然而，硅光子学的潜力并不局限于传统的计算和通信领域。

加拿大量子计算公司Xanadu一直致力于研发基于硅光子芯片的容错量子计算机，旨在实现室温下运行的量子计算机。

该公司坚信，将光子作为量子比特的硅光子学将是实现这一目标的最快途径。 Xanadu的首席技术官Zachary Vernon于11月访问台湾，并参加了由全球半导体联盟主办的2023年亚太地区高管峰会，向台湾科技产业报纸DIGITIMES Asia谈及光子学为量子计算领域带来的机遇。

实现容错量子计算机的竞赛

目前，基于不同技术路线的量子计算机类型有超导、量子点、离子阱和光子等。Vernon指出，目前各种技术路线之间存在激烈的竞争，并且由于硬件类型的不同，使得它们在解决问题上使用的方法也有所差异。 他还指出，目前不同类型的量子计算机大多数处于原型设计阶段，适用于解决不同的短期问题，但这些短期问题都与实际的商业应用有一段距离。理想情况下，如果所有构建量子计算机的方法都能取得成功，那么它们应该是等效的，并能够解决相同的问题。 “为了达到这一点，我们需要实现容错和纠错，我们认为光子将是第一个实现这一目标且扩展速度最快的技术，”Vernon解释说，他强调扩展性和高质量对实现容错都非常重要，“你需要大量的量子比特来编码纠错，同时你也需要众多高质量的量子比特。”

光子学的应用，使得人们能够以不同模式的光纤连接不同的芯片，从而获得比常规超导方法更优的连接性。

据Vernon所述，这种更优的连接性使得人们可以访问更好的代码，特别是量子低密度奇偶校验码（LDPC）。 Vernon表示：“实际上，光子是唯一可以访问它的方法，它通过光纤传输量子比特，突破了其他方法在量子比特之间连接上的局限性，从而可将量子比特传送到任何所需之处。”

随着量子比特的数量（现在通常以数百万计）已经成为正在进行的全球量子竞赛的重要考点之一，Vernon指出，光子学也需要数百万量子比特才能发挥其优势。

Xanadu因采用优质的低密度奇偶校验码（LDPC），可以访问比其他竞争方法多出10到100倍的逻辑量子比特。 Vernon强调说：“我们认为，对于所有从事硅光子制造工作的研究人员来说，密切关注量子计算行业的技术发展至关重要。”他强调了硅光子的两个主要优势，即可扩展性以及可以在室温下运行。并指出，Xanadu现在所有的实际计算都是在室温设备上进行的。

Xanadu的X8光子量子计算芯片（图片来源：网络）

光子将是实现规模化的最快途径

据Xanadu的预测，实现容错并开始扩大规模后，每年将新增数百个逻辑量子比特，到那时，量子计算机犹如一个数据中心，需要数千个甚至百万个芯片来构建，仅Xanadu每年就需要成千上万个300mm芯片。

Vernon表示，在未来的几年里，Xanadu希望能实现容错能力，并能扩展到包含1000个经过纠错处理的逻辑量子比特的规模，这种规模相当于一个拥有大约1万个机架的数据中心。

就与客户的即时互动而言，Xanadu用于量子计算机编程的软件库PennyLane是该公司的主要产品。除了与英伟达达成合作外，Xanadu还与Amazon Web服务云平台展开了紧密的合作。 “PennyLane是用于开发量子计算机算法的应用程序编程接口（API)之一，”Vernon说，“它从一开始就专注于量子机器学习领域的研究，因为围绕机器学习发展壮大的社区在算法开发市场中已占据了相当大的份额。” Xanadu的首席技术官Zachary Vernon还强调了PennyLane与硬件无关的特征：它不是只能在光量子计算机或Xanadu的硬件平台上使用，而是可以在不同的平台上使用。Xanadu已经与多个硬件供应商合作实现了这一特性。例如，Xanadu已经与大众汽车等多个汽车制造商合作，利用PennyLane开发了用于电池模拟的量子算法。

在全球竞争中失利的风险

Vernon指出，尽管量子机器学习还处于早期阶段，但诸多量子计算公司在该领域已经开展了大量工作。 “目前大家正在研发多种算法，而量子计算机能以一种全新的方式处理某些机器学习任务。”Vernon说。然而，在人们能够完全理解这一意义之前，仍需具备大规模的容错量子计算机。“一旦这些东西扩大到足够大的规模，那么它将更有效地解决传统机器学习中的基本运算——例如矩阵运算。”

根据Vernon的看法，量子计算机在未来并不会取代数据中心，而是会增强数据中心的性能。这表明量子计算技术无法解决目前由边缘集群完成的计算问题和应用程序。

他强调：“量子计算在算法类型上与其他方法完全不同，由于待解决的问题的数学结构不同，因此它们无法被普通经典计算机访问。量子计算的发展是一种突破现有技术的创新，而不是一种渐进式的技术。以我们最近构建的可云访问的量子计算机Borealis为例，它能够以多个数量级超越世界上最强大的超级计算机（以Fugaku超级计算机为基准）。”

从根本上说，量子计算所应对的问题完全不同于传统计算方式所面对的问题，这些问题并非单纯地通过扩展数据中心所能解决的。

Vernon表示：“量子计算开辟了全新的应用领域，这些领域是当前技术手段所无法触及的。”

编译：琳梦/卉可

编辑：慕一

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