以光学为核心，量子计算从好奇走向基石

“量子力学或许是量子计算的核心，但光学却是它的循环系统。”

量子软件开发商 Classiq Technologies 北美量子企业开发总监Erik Garcell认为，量子计算基于量子力学的原理——叠加、纠缠和干涉——是当今最引人入胜的技术之一。然而，它也常常被误解；“量子”一词在流行文化中经常被滥用，用来暗示未来般的速度或能力。

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量子计算无疑有望带来变革性的科学飞跃，尽管目前尚无完美的对应物，但其本质是一种切实存在的物理技术。在量子计算有望取得突破的领域，例如材料、能源、金融、密码学和机器学习，情况皆是如此。

正如激光发明者西奥多·梅曼在1960年质疑第一台激光器的实用价值一样，如今的量子计算也正处于类似的转折点，它正从一项物理实验走向一项实用技术。总的来说，量子计算是一个令人望而生畏的领域。即使在高度复杂的计算领域，利用量子现象进行计算的能力也凸显了一种全新的范式。

光学技术和组件是实现可行、实用的量子计算的核心。激光、干涉仪和光子学所遵循的同一领域和原理，同样也能够实现对量子态的精确控制。图片由Classiq提供。

尽管这项技术的基础原理是量子力学，但构成量子计算基础的技术却是我们熟知的。光学——激光、干涉仪和光子学所遵循的同一领域和原理——能够精确控制量子态。光学不仅在驾驭量子现象和实现对最小尺度量子态的操控方面发挥着至关重要的作用，而且也是量子计算机硬件和控制系统的核心。激光器、波导和光纤提供了操控量子比特（进而操控量子信息）所需的精度和可扩展性。

目前的量子计算系统短期内无法取代经典计算。如今的量子处理器拥有数量有限且噪声较大的量子比特，并且依赖于早期纠错机制。尽管学术研究以及近年来工业界都取得了显著进展，但量子系统在实际问题中尚未超越经典系统——这一点被称为“量子实用性”。

此外，目前量子实用性面临的障碍也十分巨大。保真度、可扩展性和连接性都是难以逾越的瓶颈。这些障碍共同构成了量子计算广泛应用的巨大阻碍。

解决方案就在于支撑许多现有量子计算方案的光学方法。在量子计算中，光学驱动信息流，实现精确控制，并维持连接，使整个系统能够作为一个整体运行。因此，它为实用量子计算铺平了道路。

保真度、可扩展性和连接性

尽管量子计算取得了快速进展，但尚未产生广泛的影响。这并非因为其底层科学未经证实，而是因为硬件的构建和控制仍然十分困难。实现实用的量子计算需要解决与保真度、可扩展性和连接性相关的工程挑战，而所有这些都受到量子系统实际运行条件的严格限制。幸运的是，许多此类挑战正在使用成熟的光学工具而非假设的技术来解决。

保真度是指在不引入误差的情况下执行量子操作的精确度。量子比特本质上非常脆弱；即使是微小的噪声源、时间失配或环境干扰也会对其造成干扰。因此，要执行可靠的计算，从门操作到测量，每一步都需要极高的精度。光学控制系统——包括稳定的激光脉冲、纯净的光束传输和精心设计的波形——在达到所需的精度水平方面发挥着至关重要的作用，这些精度水平能够保持低误差率和量子态的相干性。

科学家已实现了超过99.9%的量子门保真度，但如何在数千次连续操作中保持这一水平仍然是一个难题。此外，对于当前的量子光子系统架构，需要先进的制造技术来缩小整体尺寸，同时保持量子操作的相干性和保真度，这对于开发大规模量子处理器至关重要。

扩展性引入了架构复杂性：不断增长的量子比特阵列必须保持稳定、同步和可读性，同时不能增加噪声或热量，因为这两者都会干扰操作。光学系统，特别是那些采用集成光子学的系统，提供了一条很有前景的途径。这些系统支持高带宽、低串扰的控制，同时随着系统规模的扩大保持精度。

就量子网络而言，量子系统的全局连接将越来越依赖于光子学技术。未来的发展有望扩展通信范围、集成量子存储器并实现全局纠缠。这些目标都与可扩展性直接相关，并且各自面临着不同的挑战。

随着系统规模的扩大，连接性对于功能至关重要。未来的量子计算机将超越单处理器，迈向模块化系统和分布式网络，因为通过铜线传输量子态是不可能的。

而光子则擅长远距离传输量子信息，因为它们在以光速运动的同时还能抵抗退相干。光子链路能够实现纠缠分发、远程操作以及经典连接无法支持的网络架构。它们也是量子处理器和经典计算资源之间高效数据传输的关键。

量子技术的生命线

创建和控制量子比特的方法有很多种，每一种都会催生不同的量子计算范式。例如，超导量子计算机（例如IBM开发的计算机）依赖于冷却到接近绝对零度的线圈来启动超导态。囚禁离子量子计算机（包括IonQ公司的计算机）则利用电磁场形成势阱来束缚带电粒子。

从根本上讲，光学贯穿量子堆栈的每一层。无论采用何种量子比特范式，光学和光子学技术几乎都集成到硬件的各个方面。在芯片层面，光学技术创造了量子比特栖息的环境，从光阱到光子波导。此外，在控制层，激光器和调制器以空间和时间精度执行精确操作。在测量方面，光学系统用状态选择性光照射量子比特并收集产生的信号。在通信方面，光子在芯片和设备之间传递量子信息。

光学系统和组件在量子堆叠的每一层（包括控制层）都发挥作用。激光器和调制器执行具有空间和时间精度的精确操作。图片由 iStock.com/MikeShots提供。

囚禁离子量子计算系统利用电磁场束缚离子。激光冷却可将粒子运动降低至接近于零，从而创造出实现精确运算所必需的稳定环境。图片由 Stock.com/koto_feja 提供。

在光子量子系统中，光不仅仅是一种工具，它本身就是量子比特。量子信息存在于光子的特性中，例如偏振和相位。这些平台具有天然的移动性和较长的相干时间，但它们需要极高的精度——而这只有通过相同的光子、无损路由和高效的单光子探测才能保证。

精度至关重要

量子计算必须在可靠性方面取得长足进步才能真正发挥作用。与在噪声中基本稳定的经典比特不同，量子比特非常脆弱，容易受到热漂移、电磁干扰和时间误差的影响。如果没有量子保真度作为基础，价值链上的任何环节都无法维系。

这一基础包含三个主要组成部分：门保真度、读出保真度和状态制备——或者换句话说，就是操作精度、测量可靠性和初始化一致性。当算法需要数千次操作时，即使是微小的错误率也会累积成无法使用的结果。光学系统能够在各种量子平台上提供所需的精度。

光学实现量子计算的具体方式因系统类型而异。例如，QuEra 开发的中性原子系统，就利用光来构建整个处理器。这些系统利用高度聚焦的激光束（通常以光镊的形式实现）来捕获单个原子，精度极高。激光束空间强度变化产生的梯度力会形成势阱，将原子捕获并固定在焦点处。这些势阱不仅有助于构建无缺陷的量子比特阵列，还能实现原子的动态重排，从而进行纠错和扩展。此外，由多束激光干涉形成的光晶格会产生周期性的网格状势阱，非常适合实现具有高空间控制精度的量子门。

即使在中性原子系统中，状态读出也是通过光学方式实现的：激光照射下，离子会发射与状态相关的荧光，高精度光电探测器可以捕获这种荧光，从而以亚微米精度确定其量子态。除了荧光检测之外，另一种方法是直接光子检测，即使用单光子探测器来测量代表量子比特状态的光子的存在与否。先进技术，例如使用“魔波长”光镊，通过优化光与物质的相互作用并最大限度地减少测量过程中的干扰，进一步提高读出保真度。

中性原子系统中的光学控制不仅限于原子囚禁，还能主动驱动量子比特操作。激光脉冲诱导原子态之间的相干跃迁，通常是通过受激拉曼跃迁将原子激发到里德堡态。里德堡激发会在原子间产生强而可控的相互作用，而这些相互作用对于实现双量子比特纠缠门至关重要。这种程度的光学控制是构建可扩展、高保真量子处理器的关键优势。

同时，囚禁离子系统利用电磁场束缚离子，其计算完全依赖于激光控制。激光冷却将粒子运动降低到接近于零，从而创造出精确操作所必需的稳定环境。离子冷却可以通过多普勒冷却和/或分辨边带冷却等技术实现，这些技术可以最大限度地减少运动激发并增强相干性。对于量子门操作，精确整形的激光脉冲通过拉曼跃迁和其他依赖于激光诱导力的技术来驱动量子态变化，从而将离子的内部状态与集体运动模式耦合起来，实现纠缠。这套方法能够提供精细的控制，从而在密集阵列中操控单个量子比特，同时最大限度地减少相邻量子比特之间的串扰。

即使是工作在微波波段的超导和玻色子平台，也越来越多地集成光学技术以实现更佳的通信。通过电光调制器和压电谐振器等器件实现的微波-光转换，可以将微波量子比特信号转换为光频。这种转换对于使用光纤远距离传输量子信息至关重要。此外，激光器和光定时系统提供了精确的时钟和同步，这对于协调超导电路中的复杂操作至关重要。

集成光子和完整系统

光子量子系统要求光子在频率、偏振、相位和时间上几乎完全相同。实现这种均匀性需要在整个系统中进行精密的光学工程设计，从光源到光路再到探测器。实时反馈回路在运行过程中维持量子性能。光学传感器持续监测系统状态，并在出现错误时立即触发纠正。这些快速干预措施可以防止小问题演变成系统级故障。

光学与量子保真度之间的联系至关重要。高精度光学系统不仅是量子计算的补充，更是其运行的必要条件。因此，随着实用量子优势的实现，对光学精度的投资将决定哪些平台能够成功。

尽管取得了显著进展，但必要的量子计算硬件仍然难以构建和控制。实现实用的量子计算需要解决工程难题，主要涉及保真度、可扩展性和连接性。图片由iStock.com/Bartlomiej Wroblewski提供。

光子集成电路 (PIC) 能够稳定单光子逻辑运算。更具体地说，它们可以将分束器、波导和调制器等光学元件集成到单个芯片上。例如，在芯片上放置有源元件（如相位调制器）来动态控制光子路径，还可以简化量子纠错协议的实现。分束器和干涉仪可以分离、合并和/或干涉光子路径，从而实现类似于其他量子架构中的量子门。除了集成元件

及其带来的紧凑、高性能架构之外，量子系统中的 PIC 还能降低损耗。先进的材料和制造技术最大限度地减少了能量损耗，从而保持了量子运算所需的高保真度。片上复用也是可行的。同时操控多个量子比特的能力是扩展量子系统的关键要求。

某些工艺优势必须加以考虑：基于光子的量子计算受益于精确控制的光与物质相互作用，而非线性光学过程（例如参量下转换）能够产生纠缠光子对。预报光子源可确保按需可靠地产生单光子。这些技术有助于实现稳健的量子比特初始化、操控和测量。

重要的是，这些优势也延伸到了那些持续阻碍量子计算发展的限制因素。集成光子芯片对于扩展量子系统至关重要。未来的设计有望通过集成多层波导来实现三维光子架构，从而提高量子比特密度。这将显著增加单个芯片上可操控的量子比特数量。这些芯片还将为使用先进的精密制造方法（例如亚波长图案化）开辟道路，以最大限度地减少光损耗并提高组件效率。最后，它们将引发向混合集成的必要转变。光子芯片与其他量子平台（包括超导系统和离子阱系统）之间的无缝接口将确保完整的系统能够充分利用各种互补量子技术的优势。

进入计算领域

量子计算的发展机遇与更成熟的高性能计算 (HPC) 架构并存。将量子计算的优势与 HPC 的优势相结合，构建混合量子-经典系统，为未来的发展提供了多种前景广阔的途径。高带宽光互连可以促进量子处理器和经典计算资源之间的高效数据传输。开发协同设计的算法，优化量子和经典平台之间的资源利用，将利用光学元件弥合两者之间的差距。此外，设计能够同时处理经典和量子信息的数据总线，将增强整个系统的通用性。

将不断发展的量子计算科学与 HPC 系统相结合，具有内在的互补优势。业界人士在量子计算领域不断突破集成光子学的界限，其解决方案与早期硅光子学领域的创新（例如集成调制器和分束器以及先进的制造技术）相辅相成。

例如，法国公司 Alice & Bob 正在开发将微环谐振器、马赫-曾德尔干涉仪和高速相位调制器集成到单个芯片上的解决方案。这种方法最大限度地减少了光损耗，增强了稳定性，并实现了稳健的片上量子干涉和纠缠。这些是迈向可扩展光子量子处理器的关键步骤。

此外，Xanadu 和 PsiQuantum 等量子光学计算公司正在将量子模拟和优化技术应用于集成光子芯片的设计。通过精确模拟复杂电路架构中的光传播，这些公司开发出了能够改进制造工艺、降低损耗并提升器件整体性能的方法。这些因素对于推进量子和经典光学应用至关重要。

量子计算与光学：未来展望

随着新兴技术推动下一代系统的发展，光学与量子计算之间的协同作用必将日益增强。除了集成光子芯片和高性能计算/量子架构的协同集成之外，还有几个关键趋势将塑造这一领域。例如，稳健的纠错方法——对于可靠的量子计算和光学方法至关重要——预计将在未来的方案中发挥关键作用。利用编码在高维空间中的光子量子比特进行高效编码，可以更紧凑地表示逻辑量子比特，从而减少纠错协议中的冗余。此外，部署先进的光学反馈系统进行快速错误检测和纠正，有助于在系统规模扩大时保持计算稳定性。

此外，量子系统的全球互联将越来越依赖于光子学技术。一项预期进展是利用基于纠缠光子对的量子中继器来扩展安全量子通信的通信范围。将量子存储器集成到光子网络中将实现量子态的有效存储和同步。追求全球规模的纠缠为自由空间光学提供了巨大的机遇，使其能够跨越广阔的距离传播纠缠。这些并非孤立的研究进展，而是正在为量子未来开发的基础设施。正如光纤网络发展成为支持全球电信的基础一样，光学技术为量子系统超越研究范畴奠定了基础。

正如光子学将激光从实验室新奇事物转变为现代技术的支柱一样，它现在正在为量子计算迈向实际应用奠定基础。这种从科学好奇心到核心技术的转变并非一蹴而就，它需要基础设施、标准和精度。在量子计算中，这些基础正是由光构建的。

作者简介：

Erik Garcell 博士是量子软件开发商 Classiq Technologies 北美量子企业开发总监。他曾任 IP.com 创新产品经理和柯达阿拉里斯创新研究科学家