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这家公司想用光打造下一代量子计算机
这家公司想用光打造下一代量子计算机这家公司想用光打造下一代量子计算机
图｜PsiQuantum 材料实验室内用于制备钛酸动力学薄膜的真空沉积设备（来源：麻省理工科技评论）
20世纪80年代，Richard Feynman、David Deutsch等物理学家开始设想：能否造出一个全新的机器，直接利用量子规律来计算？这个机器不再依赖“开”“关”两态的晶体管，而是控制一个量子态的探针完成侵犯，最后再测量结果。
如果量子本身遵循量子规律，那么用量子系统去量子模拟系统，或许能够第一次让物理和化学模拟真正贴近现实。这将是设计新药、新材料以及一切解决受量子力学支配问题的重要工具，也可能给计算方式带来一场深刻的变革。
在鲁道夫看来，每一次读懂自然规律的重大突破，往往都会催生新的技术工具：“我不认为工业革命发生在人类学会计算和模拟牛顿力学、热力学以及经典电磁学之后，只是巧合。只要我们拥有更强的计算、模拟和理解能力，就会造出由此而相信生的不可思议的机器。”他的量子计算机也带来类似的转变。
量子计算领域长期面临一个核心难题：哪种量子系统才足够稳定、可控，能拿来当量子比特用。候选方案包括离子、原子和人工制造的特殊量子结构，但量子系统极其脆弱，任何介入都可能让态崩溃缩成某种确定状态。
如果崩溃发生在计算过程中，而不是最终读取时，就会产生错误。错误一旦累积，量子计算机就给出可靠的答案。这有点像早期航空技术，工程师当时也拿不准飞机机翼该固定不动，像鸟翅一样振动。
如今，量子计算领域同样没有定论。谷歌和 IBM 押注超导量子比特，用铝类金属做超导电路；英特尔选择利用电子；PsiQuantum 押注超导量子比特，构成光的基本粒子。
“光子有很多优势，”鲁道夫说。其中最重要的一点是，光子能长时间维持量子状态。宇宙微波背景辐射里的光子，可能已经这样维持了大约亿年的状态。
但光子的挑战也很明显。它们运动极快、容易曝光，更麻烦的是，两个光子通常会直接穿越宇宙，不会产生应答。可量子计算需要量子比特之间的相互影响，这让光子一度被认为根本不适合做计算单元，甚至让科学家怀疑基于光子的量子计算能力无法实现。
2001年，洛斯阿拉莫斯国家实验室和昆士兰大学的研究人员发现，让光子穿透由分束器和光圈组成的网络，在效果上却可以模拟出光子之间的交互。这项研究改变了整个领域，PsiQuantum的目标就是把预设理论变成现实。
但首先要解决尺度问题。早期方案里的光子量子计算机，可能会大到覆盖整个加州。2010年代初，当时还是鲁道夫博士生的梅赛德斯吉梅诺-塞戈维亚，在差点成为职业步枪家之后，提出了一种能大幅缩小系统尺度的方法。
此后，PsiQuantum逐渐摸索出自己的技术路线：先用激光光子并让它们“纠缠”。在这种量子现象里，粒子不再拥有各自独立的状态，而是共享同一个整体量子态；随后光子进入由量子门构成的复杂网络完成计算产生；最后系统读取光子的量子状态，同时不断追踪并修正计算过程中出现的错误。
这套流程真正的难点在于，每一步都获得成功执行数百万次。这已经不是一个普通的工程挑战，迄今已难以逾越的技术壁垒。与此同时，PsiQuantum还得建立起完整的供应链，比如制造具备特殊性能的新材料，才能让单个光子沿着预设路径稳定传输。
02 低温、材料与规模化
为了展示这套系统背后的工程量，PsiQuantum 曾带人参观其位于美国加州门洛帕克的实验设施。这里是 SLAC 国家加速器实验室驻地，曾参与比尔奖级研究，并于 1968 年发现夸克的研究中心。夸克是构成质子和中子的基本粒子。
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