行业思考 Xanadu CTO：为什么硅光子学是量子计算的未来？

  Xanadu硬件首席技术官Zachary Vernon分享了硅光子学是量子计算未来的观点。

  硅光子学是在CMOS平台上制造集成光子学的技术，近两年来成为一个热门词汇，因为这项技术有望为数据中心提供更快、更安全、更高效的解决方案，应对人工智能日渐增长的传输需求所带来的压力。然而，硅光子学的潜力并不局限于传统计算和通信领域。

  Xanadu是一家量子计算公司，成立于2016年，总部在加拿大多伦多。该公司正在基于硅光子学芯片构建容错计算机。利用光子作为量子比特，Xanadu相信硅光子学将是实现能在室温下运行的容错量子计算机的最快路径。作为Xanadu硬件负责人的首席技术官ZacharyVernon，在去年11月参加全球半导体联盟主办的2023年亚太高层论坛时，向DIGITIMESAsia谈到了光子学对量子计算领域带来的机遇。

  目前，基于不同原理的几种类型的量子计算机已经问世，包括超导量子比特、量子点、离子阱和光子等。Vernon指出：“不一样的量子计算机不同之处在于使用了不一样的硬件。目前，它们之间有激烈的竞争，不一样的量子计算机适用于解决不同的问题，但都处于原型阶段，没办法实现商业应用。理想情况下，如果构建量子计算机的所有方法都成功了，那么它们应该是等效的，能够解决相同的问题。”

  “为构建更为可靠和稳定的量子计算机，我们应该实现容错性和错误纠正。在实现容错性方面，扩展性和性能都很重要。这在某种程度上预示着在量子计算机中，需要大量的量子比特来编码和纠正错误，并且这些量子比特需要具有高性能。目前，光子学被认为是实现这一目标并且扩展速度最快的方法。”

  光子学使得能够正常的使用光纤以不同的方式将不同芯片进行网络连接，这提供了比超导方法更好的连接性。Vernon表示：“由于光子学提供了更好的连接性，意味着可以更好地设计和实现一些量子编码技术，特别是量子低密度奇偶检验（LDPC）纠错编码技术，来提高可靠性和准确性。

  实际上，光子学是唯一可以在一定程度上完成这种能力的方法。因为其他方法在量子比特之间的连接性上受到限制，而光子学技术能利用光纤，将量子比特在量子计算机内部或网络中进行路由和传输，将它们传送到所需的位置或节点，这样就可以更有效地进行量子信息的传递和处理。这种能力对于构建大规模的量子计算机最重要，因为它允许量子比特以更高效、更灵活的方式来进行通信和交换，更好地支持量子计算机的运算和功能。

  随着量子比特数量的增加，光子学在量子计算中的重要性也增加。为了发挥光子学的优势，量子计算机在大多数情况下要数百万个量子比特。Xanadu能利用更优秀的LDPC技术，访问比其他竞争方法多出十到一百倍的逻辑量子比特，因此在量子计算中具备更大的潜在优势。

  Vernon强调：“我们大家都认为任何从事硅光子学制造的人都要重视量子计算行业。”

  据Xanadu预测，一旦实现容错性并开始扩大规模，每年增加数百个逻辑量子比特，仅Xanadu每年就需要数十万个300mm晶圆。因为量子计算机就像一个数据中心，实际上需要数千或数百万个芯片来构建。这是一个很重要的市场机遇，在几年内量子计算机所需的硅光子学晶圆产量将与当前生产的硅光子学晶圆的产量相比较。Vernon表示：“在未来几年，Xanadu希望实现容错，并扩展到1000个纠错逻辑量子比特。这看起来像一个拥有大约10,000个机架的数据中心。目前，公司的重点就是开发所需的硬件，以提供部署在云端的、具备容错性的计算机。”

  从长远来看，使用硅光子学技术有潜力将量子计算机部署到靠近边缘终端的位置。原则上，使用光子学的量子计算机可放置在消费设备内部。ZacharyVernon解释道，尽管需要开发某些技术，但从原理上讲，这种能力是存在的，因为它们都可以在室温下工作。但实际是否可行，还需要更多时间来研究。”

  从市场角度来看，Xanadu用于编程量子计算机的软件库PennyLane是该公司的基本的产品。该产品是与Nvidia、AmazonWebServices共同合作开发的。“PennyLane是用于开发量子计算机算法的领先软件API之一，”ZacharyVernon评论道，“它最初专门从事机器学习应用程序：量子机器学习，并围绕它发展了一个社区，占据了算法开发市场的相当大一部分。”Xanadu首席技术官还强调了PennyLane与硬件无关的特点：它不仅限于光子量子计算机或Xanadu的硬件，可以在不同的平台上使用它。目前，Xanadu已经与多个硬件供应商合作证实了这一点。比如，Xanadu与大众汽车等多家汽车制造商合作，利用PennyLane开发用于电池模拟的量子算法。

  在人工智能革命即将来临之际，Xanadu指出，“尽管量子机器学习领域仍处于起步阶段，但已经进行了大量研究工作。在目前正在进行的大量算法开发中，量子计算机似乎能够以非常不同的方式处理某些机器学习任务。然而，在完全探索其原理之前，仍然需要大规模的容错量子计算机。一旦这些技术扩展到非常庞大的规模，就能更有效地处理传统的机器学习基本操作，例如矩阵运算。”

  Vernon认为，量子计算机不会取代数据中心，而是会增强数据中心，这表明量子计算并不能解决边缘集群目前正在完成的计算问题和应用。他指出：“由于问题的数学性质或结构，在某些情况下，普通的经典计算机无法处理，而量子计算机所采用的独特方法可以有明显效果地地解决这类问题。并且，量子计算机的发展不是对现有传统技术的简单改进或微小优化。最新的云端部署机器Borealis就是一个很好的例子，它能够击败世界上最强大的超级计算机，相较于Fugaku效率提升了几个数量级。”

  从根本上讲，量子计算处理的是一套完全不同的问题，这样一些问题不是仅扩大数据中心就能解决的。“它开辟了凭借现存技术无法触及的应用市场，而且将始终如此。”

  鉴于量子计算的战略重要性，一场全球竞争已经展开。在谈及加拿大在其中的优势时，Vernon表示，该国在生态系统中表现超常，特别是在人才教育培训方面，许多来自加拿大优秀的物理学家和工程师被Xanadu直接聘用。在谈及台湾的优势时，Vernon认为台湾是“半导体的麦加”，因此未来也将成为硅光子学的中心，并在Xanadu未来的供应链中发挥关键作用。在加拿大驻台北贸易办事处的帮助下，Xanadu已与台湾多家晶圆厂和封装测试厂建立了关系。

  对于其他光子学生态系统，Vernon认为氮化硅和铌酸锂是两个非常非常重要的新兴平台，Xanadu已经研究了相当长一段时间。

  “如果不热情参加，就会错失良机，”Vernon说道。过去几年里，美国和欧洲在光子量子计算方面花费了很多时间和精力，因此已经稍稍领先一步。他希望各国能够清楚地认识到量子计算的潜在威力和对未来的重要性，并积极投身于量子计算领域。