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加拿大初創公司Xanadu成功打造出名為“Aurora”的基於光子的量子計算機，能夠在室溫下運行，具有廣闊的應用前景，并解決了量子計算的可擴展性問題，為未來的科技突破奠定了基礎。
量子計算作為未來技朮的前沿領域，正以前所未有的速度改變着我們對計算能力的理解。隨着科學家們不斷突破傳統技朮的極限，量子計算機的實用性逐漸展現出巨大的潛力。
近日，加拿大初創公司“Xanadu”的一項重大突破引起了全球關注。他們成功打造出一台名為“Aurora”的基於光子的量子計算機，能夠在室溫下運行，并有望應用於藥物發現及更高效的機器學習算法。相關論文已在“Nature”上發表，標志着量子計算領域邁出了重要的一步。
Xanadu的CEO兼創始人克里斯蒂安·韋德布魯克/Christian Weedbrook在聲明中表示，“該行業面臨的兩大挑戰是提高量子計算機的性能（糾錯和容錯）和可擴展性（網絡）。Xanadu現在已經解決了可擴展性問題。” 這一突破無疑為量子計算的實際應用鋪平了道路，開創了全新的可能性。
這款量子計算機由35個光子芯片和13公里長的光縴組成，分布在4個服務器機架上，能夠實現光互聯和聯網。在開發過程中，Xanadu公司利用這些芯片搆建了一個量子計算機的亞性能尺度模型，以驗證其功能和可行性。這個模型將所有原始組件集成成離散的、可擴展的機架部署模塊，并通過光縴互連進行聯網。該系統配備了84個壓縮器和36個光子數分辨探測器，能夠在每個時鐘周期提供12個物理量子比特模式。
該公司還表示，這台量子計算機成功合成了跨芯片糾纏，包含864億模態的簇態，并展示了其實時解碼能力，能夠實現“層狀距離-2重復碼”（一種量子糾錯編碼方式）。目前，任何具有實際應用潛力的量子計算機都需要數千甚至數百萬個量子比特，而與之相比，Xanadu的量子計算機僅需12個量子比特。更重要的是，由於其建立在服務器機架上的架搆，這使得其擴展性非常強，便於隨着需求增長而輕松擴展規模。
五年內已發布3篇量子相關Nature論文
為了開發這款量子計算機，Xanadu的硬件和架搆團隊結合了光子芯片設計、封裝技朮、電子系統設計與集成等多項技朮。同時，他們還對該量子計算機進行了嚴格的基准測試，其中一次測試中成功讓設備連續運行了兩個小時。
值得一提的是，這款量子計算機所使用的芯片基於商業可用的制造平台，并且這些平台并未針對該計算機進行特別的優化。此外，這款量子計算機是在公司之前的研發基礎上進一步發展而來。早在2021年，該公司就曾在“Nature”上發布過名為X8的系統，緊接着在2022年，他們又介紹了名為Borealis的系統。這兩款系統的核心技朮為本次量子計算機提供了重要支持。
Aurora量子計算機釆用模塊化設計，由四個相似的單元組成，每個單元被安裝在比人體略高且略寬的標准服務器機架中。
作為一台基於光子的量子計算機，Aurora使用光子量子比特處理信息，依賴透鏡、光縴及其他光學元件，根據算法對激光束進行組合和重組。不過，該公司釆用了一種獨特的設計方法，即讓量子計算機的輸出結果通過激光束中的最終光子數來表示。這種方式不同於谷歌和IBM等公司的做法，他們一般通過超導電路來編碼信息。
與超導量子計算機不同，Aurora的服務器無需在低溫下運行，因此在研發過程中不需要使用復雜的低溫技朮。盡管服務器機架可在室溫下運行，光子計數探測器仍然需要在另一個房間保持低溫。
Aurora的成功展示了專用模塊化設計的有效性，通過這種模塊化組件組合，搆建一台具有糾錯能力的通用光子量子計算機的關鍵要素已基本到位。該架搆以及穩健量子比特態的運用也證明，在嚴格的量子時鐘頻率和經典硬件控制條件下，諸如量子門操作、實時糾錯和解碼等關鍵量子計算過程是可行的。
盡管量子計算機的前景廣闊，能夠以更快速度處理復雜計算并解決一些傳統計算無法完成的任務，但目前量子計算的應用仍然受到擴展性問題的制約。在量子計算中，信息必須在系統中保持糾纏狀態，即使粒子相距很遠也能保持連接，這給量子計算機聯網帶來了特殊挑戰。因此，搆建“量子互聯網”成為實現這一願景的關鍵。
與IBM的Condor量子計算機需要1121個量子比特相比，Xanadu的12個量子比特看似微不足道。然而，光子量子比特對環境噪聲的敏感度較低，使其能夠更持久地保留信息。此外，傳統光縴的應用也使得光子量子計算機的操作更加簡便。
將在2029年建立擁有數千台服務器的量子數據中心
據悉，Xanadu的CEO兼創始人Christian Weedbrook本科和博士階段均畢業於澳大利亞昆士蘭大學，分別專攻物理學和量子專業。之后，他在美國麻省理工學院和加拿大多倫多大學從事博士后研究。
在多倫多大學進行博士后研究期間，Weedbroo在羅特曼管理學院的Creative Destruction Lab種子期加速器的支持下，創立了Aurora項目。如今，Xanadu已發展成擁有220名員工的公司，成功籌集了來自Georgian Partners、OMERS Ventures 和 Radical Ventures 等投資者的2.41億美元資金。此外，加拿大聯邦政府的戰略創新基金也為其提供了4000萬美元的支持。
展望未來，Xanadu的目標是在2029年建立一個量子數據中心，計划部署數千台服務器，提供100萬個量子比特。然而，在實現這一目標之前，Xanadu必須首先突破一個關鍵的量子里程碑：實現量子計算機的容錯性。量子計算機相比傳統計算機更容易出錯，因此其復雜算法可能會得出不准確的結果，而錯誤的發生率隨運行時間的延長而增加。
目前，量子計算領域的各家公司都在努力制造更為精確的設備，同時編寫能夠識別并修復錯誤的代碼。Weedbroo表示，Xanadu已在過去一年半里顯著提升了芯片和光學部件的性能，但仍需要進一步改進以達到容錯標准，并降低硬件成本。此外，如何將數千個服務器機架連接成一台巨型量子計算機也是一項艱巨的挑戰。“盡管面臨困難，但隧道盡頭的光芒已經越來越亮了。”
為了加速量子計算硬件的研發，Xanadu計划進行1億至2億美元的融資。值得一提的是，Xanadu并非唯一致力於光子量子計算機的公司，其他如美國的PsiQuantum和法國的Quandela等企業，也在通過中性原子、離子等技朮探索量子計算系統的未來。雖然目前尚不清楚哪種量子比特類型將最終成為主流，未來的量子計算可能會通過多樣化的技朮路徑共同推進，不同類型的量子比特可能會在特定的應用領域表現出獨特的優勢。
這一發展不僅反映了量子計算領域的技朮多樣性，也揭示了全球科技創新的復雜性與競爭格局。隨着量子計算技朮的逐步成熟，不同的量子計算公司將有機會根據自身的技朮特色和市場需求，塑造各自的競爭優勢。量子技朮的進步不僅是科學和工程的突破，也將深刻影響到未來全球經濟、科技及信息技朮的發展格局，催生出全新的產業生態和創新機遇。
