光量子计算公司：百万量子比特计划

使用光纤进而用光量子内存来提升容错量子计算的量子比特数目，是近年来光量子计算中兴起的方向。中国的玻色量子团队在多年研发基础上提出的「天工光量子计算架构」[3]就采用了这样一种方向。无独有偶，在美国著名光量子计算公司PsiQuantum的方案中，也采用了这种方案。本文就根据PsiQuantum发表的两篇论文，解读其可扩展光量子通用计算方案。

说起量子计算行业的黑马，就不得不提到PsiQuantum。

PsiQuantum由著名量子计算专家Jeremy O'Brien于2016年在硅谷创立，是美国最领先的量子计算创业企业之一，主攻光量子计算技术路线，PsiQuantum的目标是用传统的硅芯片技术流程来制造使用光量子的商用量子计算机。同时，PsiQuantum拥有一个由世界级工程师和科学家组成的团队，致力于整个量子计算堆栈的研究，涵盖了光子、电子控制，光电芯片封装、低温系统、量子架构和容错、量子应用等各个方面。

根据相关公开报道透露的信息，PsiQuantum正在研发和生产量子光子芯片和用于控制量子位的低温电子芯片，并宣布与全球领先的专业晶圆代工厂Global-foundries（格芯）合作，通过使用格芯公司的半导体制造工艺制造其量子核心组件。由于对光量子计算路线和工程实现能力的认可，PsiQuantum也是全球范围内完成融资金额最高的量子计算企业。

迄今为止，该公司已经筹集总计6.65亿美元的资金。投资商名单中不乏微软M12、黑石、Atomico、红点、PlaygroundGlobal等一众知名风投。可见，PsiQuantum深受资本市场的恩宠。

那么，它的量子计算研发路径又有哪些独到之处呢？

PsiQuantum认为，有用的量子计算机至少需要100万个物理量子比特，以满足容错和纠错的需求。因此，光量子通用计算方案的架构及其可扩展性是他们研究的重点。

2021年，PsiQuantum连续发表了两篇重磅论文：Fusion-based quantum computation[1]和Interleaving: Modular architectures for fault-tolerant photonic quantum computing[2]，揭示了其在可扩展通用光量子计算的基本原理以及架构。特别在论文[2]中，PsiQuantum的研究人员提出了模块化的容错光量子计算的架构，第一次完整展示了其走向百万光量子比特的技术路线，印证了新一代具备光子处理模块，数字处理模块和光纤内存的光量子计算架构的可扩展性和先进性。

论文[2]再次陈述了光子作为量子比特的不一样的特性。在其它使用固态量子的大规模计算架构中，如在超导技术路线中，量子比特一般是以阵列的方式呈现，可以长时间存储量子信息，并对其进行门操作和测量。而光量子的相干性优异，但是飞行光子的缺点是易损耗，测量完之后即被销毁。因此PsiQuantum此前研究了更适合光量子的容错计算的方式，也就是Fusion-Based Quantum Computing（基于融合的量子计算，FBQC）。

在光子FBQC架构中，有两个核心设备：

资源态生成器（resource-state generators，RSG），用于周期性生成少量光子的纠缠组成的资源态（resource state），或者说小规模的簇态（cluster state）； 融合设备（fusion devices），通过对两个或多个资源态，进行少量光子纠缠的测量，并把这些资源态融合成更大的簇态。

根据论文[1]中FBQC的工作，已经证明了系统里同时存在的单光子的数量相当于量子比特的数量，计算速度由物理的纠缠测量速度，即资源态的融合操作速率决定。所以一个动