关于新型光子量子芯片，对光子计算机的发展与优缺点

与基于电子的机器相比，基于光子的量子计算机可能具有一些优势，包括在室温下运行，并且运行时的温度远比普通计算机低。量子计算初创公司Xanadu的科学家说，现在，量子计算机又增加了一个优势。他们的光子量子计算机可以扩大规模，甚至可以胜过最快的经典超级计算机，至少可以完成某些任务。

传统计算机通过开关晶体管将数据符号化为1和0，而量子计算机则使用量子位或 “qubits”，由于量子物理学的奇异性质，这些量子位可以以一种被称为叠加的状态存在，在这种状态下它们可以同时作为1和0。

量子机械纠缠在一起的量子位越多，它们可以同时执行更多的计算。具有足够量子位的量子计算机在理论上可以实现“量子优势”， 从而使其能够解决传统计算机无法解决的问题。例如，与可见宇宙中的原子相比，具有300个相互纠缠的量子位的量子计算机理论上可以在瞬间完成更多的计算。

除了表面上的量子计算优势之外，一个量子计算平台与另一个量子计算平台的相对优势还不清楚。谷歌，IBM和英特尔等技术巨头正在研究的量子计算机通常依赖于基于超导电路或捕获离子的量子位。这些系统通常需要昂贵且精巧的低温技术，使它们仅比绝对零值高出几度（有时仅是单度的几分之一）。将量子比特保持在如此严酷的温度下所需的昂贵，笨重的系统可能使将这些平台扩展到大量的量子比特变得异常艰巨。

相比之下，光子量子计算机不仅可以在室温下工作，而且还可以集成 到现有的基于光纤的电信基础架构中，有一天可能会启用强大的量子网络，甚至可能启用量子互联网。

然而，光子量子计算机也面临着自身的问题。例如，尽管中国科学家去年报告说，一台光子量子计算机展示了量子优势，但他们说，要解决一个问题，世界上目前最顶尖的超级计算机需要6亿年才能完成。然而，庞大的设置和在操作过程中丢失的光子数量表明这种设计是不可扩展的。此外，它的电路是不可重构的，因此只能执行一个单一的算法。

现在，总部位于多伦多的Xanadu开发了一种光子量子芯片，该芯片据说是可编程的，可以执行多种算法，并且具有高度可扩展性。

Xanadu的硬件负责人Zachary Vernon说：“长期以来，光子学被认为是量子计算领域的劣势 。有了这些结果，再加上学术团体和其他光子量子计算公司的进步力度越来越大，很明显，光子学并不是弱者，而将是未来的主要竞争者之一。”

新的4毫米乘10毫米X8芯片实际上是8位量子计算机。科学家说，氮化硅芯片与传统的半导体工业制造技术兼容，并且可以很容易地扩展到数百个量子比特。

发射到芯片中的红外激光脉冲与微观谐振器耦合在一起，以生成所谓的“压缩状态”，该状态由多个光子的叠加组成。接下来，光流向执行所需计算的一系列分束器和移相器。然后，光子从芯片流出到超导检测器，该检测器对光子数进行计数，以提取量子计算的答案。

Xanadu已使该芯片可在云上使用。不了解硬件工作原理的远程用户仍然可以使用StrawberryFields，Xanadu的用于在光子量子硬件上模拟和执行程序的Python库以及PennyLane（用于量子机器学习，量子计算和量子化学的Python库）对设备进行编程。

Strawberry Field和PennyLane都是Github上提供的开源，跨平台工具。PennyLane可以证明对所有量子计算机都有用，而不仅仅是Xanadu的。

Vernon指出：“量子硬件和算法的开发几乎没有触及到一切的可能性。从事某项工作的人越多，越好。为了充分发挥量子计算的潜力，应尽可能多的人从事应用程序开发。如果有人使用公司A的硬件开发了出色的应用程序，那么该应用程序很可能将同样地部署在公司B的硬件上。因此，在哪里开发和测试应用程序就不再那么重要了。重要的是，该应用程序是首先开发的。”

研究人员在其完全可重新编程的芯片上执行了三种不同的量子算法。一种是高斯玻色子采样，它分析随机数据块，并具有许多实际应用，例如确定哪些分子对最适合彼此。另一个是分子振动光谱，计算分子不同状态之间转移的能量，并已用于量子化学中。Vernon说，最后一个是图形相似性，它在不同的数据集之间寻找相似的特征，并已在数据科学中使用。

Xanadu指出，其系统当前的局限性在于它们使用的超导光子探测器需要超冷温度。但是，该公司指出，未来的探测器可能不需要超导温度或低温温度，否则整台机器都必须装在标准服务器机架中。

科学家们指出，他们在扩展量子计算机方面面临的最大挑战是减少在计算机电路内部运行时光子丢失数量。他们认为，使用集成的分束器和移相器（使用更精确的，可商用的芯片制造工具构建），他们的量子机可以实现可接受的低损耗。

Xanadu现在的目标是通过纠错策略使它们的量子计算机对实际应用更加有用，以使其对噪声，缺陷和其他问题的容忍度更高。
编辑：lyn