大航海时代，书写了一部人类探索与发现的壮丽史诗，而作为宏大叙事背后若干个体之一，那些大大小小航船上载着的，是一群不断航向未知海域的坚定探险家。 日光底下无新事。从著名物理学家费曼提出量子计算机的概念起 ...
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大航海时代，书写了一部人类探索与发现的壮丽史诗，而作为宏大叙事背后若干个体之一，那些大大小小航船上载着的，是一群不断航向未知海域的坚定探险家。 日光底下无新事。从著名物理学家费曼提出量子计算机的概念起，这一基于量子力学基本原理、具有超强并行计算能力的全新计算范式，便启发了人类算力发展史上同样充满探索与发现的全新机遇：这是属于“一小群探险家”的全新量子大航海时代，而杰出光量子专家 Jeremy O'Brien 就是其中一位。 1975年出生于澳大利亚的 O'Brien，是澳大利亚新南威尔士大学量子技术博士, 他曾任英国布里斯托大学量子光子学中心主任，也曾前往日本大阪大学访学并在 NTT 担任研究员，其研究组最先在光学芯片上演示了多个量子算法、量子态的调控等，是光量子计算领域的执牛耳者。2016 年，O'Brien 联合创立了光量子计算公司 PsiQuantum，这也是截至目前估值最高的量子计算公司。 从出发的那一刻起，O'Brien 就清楚地知道，旧地图上没有新大陆，唯有在那些未知领域的冒险才是贯穿探险之旅的主线剧情。 为光量子技术路线打下坚实基础量子计算是一种基于量子力学奇妙规则的全新计算范式，利用量子叠加、纠缠特性打破了经典计算的效率壁垒，使得量子计算机在处理某些特定问题（如密码破译、数据搜索、组合优化）时具有远超经典计算机的显著优势。 构建量子计算机的物理系统目前有很多类型，可以基于天然的二能级系统如捕获离子、中性原子等，也可以基于人工的二能级系统，如超导量子电路等。由于科学史上对光子的研究催生了量子力学，因此，学界对光子的量子效应研究也更为深入、透彻，利用光子来进行量子计算也成为了一个自然的选择。基于光子构建量子比特，并利用光子的量子效应进行计算的系统，可通称为光子量子计算。目前光量子计算系统是未来大规模通用量子计算机的有力竞争者之一。 在光量子计算上倾注了大量心力的 O'Brien 知道，长期以来，光量子计算的主要难点之一在于如何实现通用量子计算所需的纠缠逻辑门，就比如量子计算中至关重要的基础构建块 CNOT（受控非门），它能够对两个量子比特的状态进行纠缠操作，为实现复杂的量子算法奠定基础，是实现通用量子计算的关键技术之一。 在多数量子计算的技术路线中，量子纠缠都很重要，它允许多个量子比特之间建立强关联，有助于执行复杂运算。但是光子之间的直接相互作用很弱，无法像其他物理实现（如超导量子比特）那样自然地产生纠缠。通常情况下，要在光子系统中实现纠缠逻辑门，需要依赖量子干涉效应和复杂的光学设备，而这无疑增加了噪声管理难度和计算复杂性，因此实现容错的纠缠逻辑门成为制约光量子计算发展的关键瓶颈之一。 2003 年，Jeremy O'Brien 及其团队发表了一篇名为《Demonstration of an all-optical controlled-NOT gate》的论文，首次成功演示了利用光子间的量子干涉效应实现的全光学双量子比特 CNOT（受控非门）逻辑门。
刚才提到，之所以在传统光学系统中实现 CNOT（受控非门）逻辑门极具挑战，是因为光子之间缺乏直接的相互作用。为了克服这一障碍，O'Brien 团队引入了一种全新的“测量引发的光学非线性”方法，核心思想是通过对量子系统中光子的测量，间接实现光子之间的相互作用。这项技术创新摆脱了以往对非线性光学设备的依赖，而是通过量子测量和干涉效应，模拟出这些相互作用，最终首个实现光量子比特之间的逻辑门操作，不仅展示了线性光学在量子计算中的巨大潜力，使光量子计算更加稳定和易于扩展，也为全光量子计算提供了一条全新的技术路径。 在这项研究中，O'Brien 及其团队首次通过纯光学手段实现了双量子比特逻辑门操作，在实验中生成并测量了光子纠缠态，通过量子态的干涉验证了 CNOT 门的有效性，其最大价值在于验证了光子作为量子比特在构建复杂量子逻辑电路中的可行性。 O'Brien 团队的研究表明，光子作为量子比特不仅具备优越的相干时间和抗噪声特性，还能够通过相对简单的器件实现复杂的量子操作，更解决了长期制约光量子计算发展的一大关键障碍，即如何通过可扩展、稳定的光子系统实现复杂量子计算，从而迈向基于光量子的通用量子计算机。 为现有光量子计算打造用武之地在模拟大型量子系统、求解大规模线性代数问题等方面，经典计算机往往会遇到巨大挑战，比如说： 1、指数级增长的计算需求：随着量子系统规模的增长，状态空间以指数方式扩展，经典计算机无法高效存储和处理。 2、缺乏并行处理能力：经典计算机通常只能按顺序处理信息，这极大限制了它们处理复杂量子问题的能力。 3、资源消耗巨大：为了在经典计算机上模拟量子系统，可能需要创建多个系统状态的副本，这在资源消耗方面显得不切实际。 4、计算效率低下：现有的经典算法在处理量子系统模拟和大规模线性代数问题时，由于效率不高导致计算成本高昂。 5、精度限制：即使投入了大量资源，经典计算机在模拟量子系统时仍可能因为数值误差而难以达到所需精度。 简而言之，由于量子系统的复杂性和经典计算机的局限性，模拟大型量子系统、求解大规模线性代数等任务对经典计算机来说，求解困难且成本高昂。而量子计算虽然在理论上有望完成上述任务，但真正造出容错量子计算机还遥遥无期，目前可用的含噪声中等规模量子计算机（NISQ）性能又受到严重限制，无法发挥出应有的能力。 从中不难看出，在经典计算机、NISQ 量子计算机以及实用化计算任务三者之间，缺了一个关键纽带。 2014 年，作为发明人之一，O'Brien 提出了著名的量子算法——变分量子本征求解器（VQE），在一定程度上有效填补了三者的间隙。
Nature Communications论文 变分量子本征求解器（VQE）是一种量子-经典混合算法，主要用于求解复杂量子系统的基态能量。 VQE 通过量子计算生成量子态，测量能量期望值，并结合经典优化算法不断调整量子电路中的参数，它的主要优势是能够在当前含噪声中等规模量子设备（NISQ）上运行，不需要实现容错量子计算机，就能够在现有量子计算技术水平下实现部分实际应用，特别是在量子化学领域上的应用。 值得一提的是，O'Brien 在提出 VQE 算法后，更进一步在光量子芯片上实现了 VQE 算法，这不仅是量子计算算法领域的重大突破，也为未来光量子计算机的构建提供了重要技术路径。 光量子因其相干时间长、噪声低等特性，非常适合用于量子计算。O'Brien 团队的光量子芯片集成了很多量子操作元件，如分束器和波导等，用于操控光子之间的相互作用，进而构建出量子电路。不仅能使光量子计算更加稳定，而且还具有良好的可扩展性。 在具体实现中，O'Brien 团队解决了多个工程化过程中的技术难题，包括如何高效地通过光学元件实现量子逻辑门操作，如何在芯片上实现量子干涉与测量，以及如何将光量子计算与经典优化流程结合。借助这些技术创新，他们所设计的光量子计算芯片能够生成并测量复杂的量子态，逐步优出量子系统的基态能量，这种芯片级解决方案不仅提高了光量子计算的可扩展性，还为大规模量子计算机的实现奠定了基础。 构筑实用量子计算商业潜力众多技术集合在一起，创造了一种我们称之为“经济”的东西，它可以是宏观数据，也可以指商业价值。无论何种理解，经济都从它的技术中浮现，并不断从它的技术中创造自己，并且决定哪种新的技术将会进入其中。 工业革命中的蒸汽机、电力的引入以及互联网时代的到来，无一不向我们展示技术是如何推动经济增长、并重塑经济结构的。同样，信息技术、人工智能等新技术不断催生新的产业，并逐步替代旧的经济模式，也清晰展示了经济依赖技术进化的特性。 由此不难看出，技术是经济的强力内核，而经济是技术发展绕不开的一种外在体现，二者紧密共生。在当前的量子计算发展阶段，商业估值是一种直观感受“技术经济实力”的方式。 2016 年，PsiQuantum 在硅谷成立，作为创始人的 O'Brien，在技术落地方面，选择了一条少有人走的路：避开行业对 NISQ（含噪声中等规模量子）计算机的喧嚣追逐，而是选择更为远大也是更为困难的冒险目标——直接开发自研的百万光量子比特容错量子计算机系统。 “要么做大，要么放弃”，作为量子计算大航海时代的探险家，O'Brien 也将自己热烈的冒险精神和信念传递给了 PsiQuantum。商人和英雄，二者并不相悖。 光子作为量子比特具有天然的优势，比如长相干时间和抗干扰性，这让光量子计算在噪声和误差纠正上表现更好。PsiQuantum 从创立伊始就专注于可扩展性和容错机制，而不仅仅是短期的量子优越性展示，这与其他公司追求短期内展现出量子优越性的商业策略形成鲜明对比。 当然，冒险并不等同于冒进。PsiQuantum 选择借助现有先进晶圆厂的标准制造工艺，依托成熟的芯片制造技术来构建其百万规模光量子计算机，这种选择使他们能够利用全球已经非常成熟的半导体制造基础设施，加速量子计算系统的大规模生产。成熟的芯片制造技术和可扩展性很强的光量子技术路线相结合，极大地提升了 PsiQuantum 在量子计算市场中的竞争力。 2020 年 4 月，PsiQuantum 获得微软旗下 M12 风投所领投的 2.15 亿美元巨额单笔投资，要知道在此之前，低调的 PsiQuantum 还鲜为人知。而经过四年多的发展，PsiQuantum 在融资道路上的显赫战绩简直无可匹敌。 今年年中，PsiQuantum 获得了澳大利亚联邦政府和昆士兰州政府近 10 亿澳元的资助，成为全球总融资额和估值最高的量子计算公司。此后不久，向来对其通用光量子技术进展讳莫如深的 PsiQuantum，罕见地在 arXiv 提交了预印论文《A manufacturable platform for photonic quantum computing（光量子计算的可制造平台）》。 这篇论文概述了 PsiQuantum 在光量子计算硬件工艺上的进步，提出并验证了一个可用于光量子计算芯片的制造平台。据了解，这是首次能够实现光量子比特的片上生成、操控和检测的集成光子技术平台。 芯片是光量子计算的下一步重要目标。这一芯片平台中的技术构成了大多数光量子计算方案所需的基本操作和能够实现高保真的量子操作，并剧透了一系列下一代技术，展示了其自研的光量子计算系统扩展至实用规模的巨大潜力。 通常来说，光量子芯片的集成度越高，能够实现的算力也会越高。因为更高的集成度，意味着在一个芯片上可以容纳更多的光子通道和逻辑门，从而可以执行更复杂的量子运算。同时，集成度的提升，也意味着更好的稳定性与低噪声，能够进一步提升计算精度和效率。因此，提高光量子芯片的集成度是实现大规模量子计算的重要方式之一。根据其公开资料，PsiQuantum 计划在单个光子芯片上集成 5000 个量子比特，并将更多精力持续聚焦在产线之上。 巨轮启航，不入浅滩，因为志在远洋。正如 O'Brien 所坚信的那样，“如果你设定的目标仅仅是帝国大厦的屋顶，而你只有一个 10 米的梯子，那么你完全可以建造一个 100 米的梯子让你更接近目标。但当你将设定目标的眼光投向月球时，无论 10 米的梯子还是 100 米的梯子都一样的无济于事，你需要的是一枚火箭，一艘宇宙飞船。”
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