采用光纤作为光量子存储器，再利用光量子存储器增加容错量子计算中的量子比特数，是光量子计算在国内的上升方向最近几年。中国Bose量子团队在多年研发的基础上提出的“天宫光量子计算架构”[3]就采用了这样的方向。无独有偶，美国知名光量子计算公司PsiQuantum的方案也采用了该方案。本文基于PsiQuantum发表的两篇论文，解读其可扩展的光量子通用计算解决方案。说到量子计算行业的黑马，就不得不提PsiQuantum。PsiQuantum于2016年由著名量子计算专家JeremyO'Brien在硅谷创立。它是美国领先的量子计算初创公司之一。商用量子计算机。同时，PsiQuantum拥有世界一流的工程师和科学家团队，致力于整个量子计算堆栈的研究，涵盖光子学、电子控制、光电芯片封装、低温系统、量子架构和容错、量子应用和其他方面。根据相关公开报道披露的信息，PsiQuantum正在研发和生产用于控制量子比特的量子光子芯片和低温电子芯片，并宣布与全球领先的专业晶圆代工厂Global-foundries（全球铸造厂）合作。核心公司的半导体制造工艺制造其量子核心部件。由于对光量子计算路线和工程实现能力的认可，PsiQuantum也是全球融资金额最高的量子计算公司。迄今为止，该公司已筹集了总计6.65亿美元的资金。投资人名单中不乏微软M12、黑石、Atomico、红点、PlaygroundGlobal等知名风投。可见，PsiQuantum深受资本市场青睐。那么，其量子计算研发路径有哪些独到之处呢？PsiQuantum认为，一台有用的量子计算机至少需要100万个物理量子比特来实现容错和纠错。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-basedquantumcomputation[1]和Interleaving:Modulararchitecturesforfault-tolerantphotonicquantumcomputing[2]，揭示了其在可扩展通用光子量子计算和架构方面的基本原理。特别是在论文[2]中，PsiQuantum的研究人员提出了模块化的容错光量子计算架构，并首次充分展示了其到百万级光量子比特的技术路线，证实了新一代具有光子处理模块、数字处理模块和光纤存储器上光量子计算架构的可扩展性和进步。论文[2]再次陈述了光子作为量子位的不同属性。在其他采用固态量子的大规模计算架构中，比如在超导技术路线中，量子比特一般以阵列的形式呈现，可以长期存储量子信息，并对其进行门运算和测量。光子的相干性极好，但飞行光子的缺点是容易丢失，测量后会被破坏。因此，PsiQuantum此前研究了一种更适合光子的容错计算方法，即基于融合的量子计算（Fusion-BasedQuantumComputing，FBQC）。在光子FBQC架构中，有两个核心设备：资源状态生成器（RSG），用于周期性生成由少量光子纠缠组成的资源状态，或小规模的簇状态（clusterstate）；融合设备（fusiondevices），通过测量两个或多个资源状态，测量少量的光子纠缠，将这些资源状态融合成一个更大的簇状态。根据论文[1]中FBQC的工作，证明了系统中同时存在的单光子数等于量子比特数，计算速度由物理纠缠测量决定speed，即资源状态的融合操作速度。因此，基于动态RSG的设备具有与静态量子比特设备相同的计算能力。图中的RSG是产生环簇状态的资源，F是融合操作，1、L、L2是人为设置的延迟周期。那么只需要一个RSG就可以生成L2簇状态。但是，以上两种设备还不够。为了进一步扩大这种光量子计算的量子比特规模，论文[2]提出了时分复用的思想，并构建了“光纤存储器”这一重要模块。如果我们采用时分复用，每1ns有一个光子进入光纤，那么1公里的光纤存储器可以暂时存储5000多个光子。低损耗光纤是光量子计算架构中负责提供大容量量子存储器的核心部件。简单来说，如果一个光子在低损耗光纤中传播了1公里，几毫秒后它仍然有95%以上的概率会从光纤的另一端出来。这样的丢包率可以通过容错FBQC来解决。通过结合RSG、融合器件和光纤存储器的架构设计，可以实现具有容错量子计算的数千物理量子位的计算能力。另一方面，将多个RSG连接成一个网络可以实现一个完整的通用逻辑门计算。同样规模的静态量子比特，例如超导量子比特，每个RSG需要5,000个物理量子比特用于数据存储。从这个角度来看：PsiQuantum的架构与BoseQuantum提出的“天工光量子计算架构”的模块化架构是一样的：RSG等设备对应光子处理模块，聚变设备等设备对应光子处理模块。数字处理模块。最终采用了时分复用光纤作为存储器：在PsiQuantum的论文[2]中，研究了光子FBQC、光纤存储器和拓扑容错协议的结合，实现了以下三个目标同时：单个RSG的效率比静态量子比特强得多。通过将光子资源状态临时存储在光纤等低损耗介质中，RSG中可以同时存在多达数千个现有资源状态。这使每个RSG能够模拟数千个静态物理量子比特，用于容错量子计算。PhotonicFBQC的架构是高度模块化和可扩展的。通过使用相同的计算模块组成网络，可以构建大规模容错量子计算机。模块由融合设备和宏光纤延迟组成，用于模块之间的存储和连接。因此，扩展此类量子计算机的主要挑战是构建许多相同的RSG，而不是大量静态量子位的集合。RSG提供了一种替代方法，可用于在基于非光子物理学的设备（例如固态量子位）中扩大量子位。只要它们可以转换为合适的光子，它们就可以用作嵌入大规模光子架构中的自主运行的RSG。模块化组件之间的宏观光学连接可以降低逻辑运算的成本。RSG产生的光子可以传播很远的距离，并且不像传统架构那样受到局部限制。RSG之间的非本地连接提供了一套新的工具来实现更高效的逻辑操作。
