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2009 年，布里斯託大學教授 Jeremy O'Brien 發表了一篇研究論文，描述了如何重新利用片上光學元件來操縱單個光粒子並執行量子操作。片上光學元件最初是由電信行業開發的。
經過早期的光子研究，到 2016 年， O'Brien和他的三位學術同事Terry Rudolph、Mark Thompson 、 Pete Shadbolt 創建了PsiQuantum。
這些創始人都認為，用傳統方法構建尺寸實用的量子計算機將花費太長時間。在公司成立之初，PsiQuantum團隊就確立了構建一百萬量子比特容錯光子量子計算機的目標。他們還認為，製造這種機器的唯一方法是在半導體代工廠製造它。
早期進展
大約兩年前，PsiQuantum 首次引起關注，當時它獲得了 1.5 億美元的 C 輪融資，使公司的總投資額增加到 2.15 億美元。
這種投資規反映了人們對 PsiQuantum 正在建造的任何量子設備的潛力都非常感興趣。當時，PsiQuantum 以隱身模式運行，因此關於其研究的可用信息很少。
去年，再次獲得了 4.5 億美元的 D 輪融資後，PsiQuantum 披露了有關其技術的更多信息。就在幾周前，一筆2500萬美元的美國政府撥款被聯合授予PsiQuantum及其製造合作夥伴 GlobalFoundries，用於加工和進一步開發其光子量子計算機。擁有 GlobalFoundries 作為合作夥伴是對質量的保證。GlobalFoundries是一家高品質的一流晶圓廠，也是全球三大一級鑄造廠之一。
PsiQuantum目前的估值為31.5億美元，它所遵循的量子路線圖主要由其自己設計的墊腳石鋪就，具有構建百萬量子比特通用硅光子量子計算機所需的獨特技術、組件和工藝。
基礎技術
經典計算機使用數字位對信息進行編碼，以表示零或一。量子計算機使用量子比特（qubits），它也可以表示一或零，或者同時處於零和一之間的某個數字的量子疊加態。有多種量子比特技術。IBM、谷歌和 Rigetti 使用由小線圈製成的量子比特，當溫度很低時，這些線圈會變成超導體。Quantinuum 和 IonQ 使用從鐿原子中去除外層價電子形成的離子來充當量子比特。Atom Computing 使用鍶的同位素製造中性原子自旋量子比特。
光用於超導體和原子量子計算機中的各種操作。PsiQuantum也使用光，並將無窮小的光子變成量子比特。光子量子比特有兩種類型：擠壓光和單光子，PsiQuantum選擇的技術是單光子量子比特。
使用光子作為量子比特是一個複雜的過程。在數以萬億計的具有不同頻率和能量的光子中，確定單個光子的量子態是很複雜的。
Pete Shadbolt 博士是 PsiQuantum 的聯合創始人兼首席科學家。他的職責包括監督技術和科學相關政策和程序的應用和實施，這些政策和程序對PsiQuantum的成功至關重要。2014 年在布里斯託大學獲得實驗光子量子計算博士學位後，他在帝國理工學院從事博士後研究，研究光子量子計算理論。在布里斯托爾期間，他展示了首個變分量子特徵解析器和首個用於量子處理器的公共 API。曾被英國研究委員會授予2014 EPSRC“新星”、獲得了EPSRC勵志科學家和工程師獎、歐洲物理學會論文獎。
Shadbolt 博士解釋說：從光束中檢測單個光子類似於從亞馬遜河的最寬處收集一滴指定的水。這個過程發生在一個硬幣大小的芯片上，PsiQuantum 芯片體現了非凡的工程和物理學，我們在不斷提高芯片的保真度和單光子源性能。
對用作量子比特的光子有嚴格的要求。一致性和保真度對光子量子計算機的性能至關重要。因此，每個光子源必須具有高純度、適當的亮度，併產生一致的光子。
合適的夥伴
一年前，當 PsiQuantum 宣布其D輪融資時，該公司透露，它已與 GlobalFoundries 建立了合作夥伴關係，為光子量子芯片首創了製造工藝。這種製造工藝生產出 300 毫米的晶圓，其中包含數千個單光子源和單光子探測器。該晶圓還包含干涉儀、分離器和移相器。為了控制光子芯片，GlobalFoundries工廠還製造了具有大約 7.5 億個晶體管的先進電子 CMOS 控制芯片。
位於佛蒙特州埃塞克斯的GlobalFoundries
光子優勢
每一種量子比特技術都有其自身的優點和缺點。PsiQuantum 選擇使用光子來構建其量子計算機，原因如下：
1、光子感覺不到熱量，大多數光子組件在室溫下工作；
2、PsiQuantum 的超導量子光子探測器需要冷卻，但工作溫度比超導量子比特高 100 倍左右；
3、光子量子比特與光纖網絡兼容，便於在本地設備之間路由光子；
4、光子不受電磁干擾的影響。
光子量子比特的另一個主要優勢是：它能夠在較長的時間內保持量子態。例如：儘管傳播了數十億年，遙遠的恆星和星系發出的光仍然完好無損地到達地球。一個量子比特保持其極化量子態的時間越長，它可以執行的量子操作就越多，這使得量子計算機更加強大。
為什麼要從一百萬個量子比特開始？
Shadbolt 博士說：“我們已經破解了構建百萬量子比特量子計算機的代碼，儘管這是一個巨大的數字，但不難。我們所要做的過程類似於：將數十億個晶體管放入手機中。我們現在正在GlobalFoundries 300 毫米平台上的筆記本電腦和手機芯片旁邊構建量子芯片。”
據 Shadbolt 博士介紹，PsiQuantum 的定製生產線取得了很大進展。令人驚訝的是，在代工廠中建造百萬量子比特的量子機器，與組裝經典超級計算機有許多相同的非量子問題，包括芯片產量、可靠性、高通量測試、封裝和冷卻。
Shadbolt 博士說：“從我們宣布與 GlobalFoundries合作到現在，我們已經生產了大量的硅，總共做了七次流片，成百上千的硅晶圓從我們的門裡出來。我們在封裝、組裝系統、集成和光纖連接方面投入巨資，以確保光流入和流出芯片的最高效率。”
PsiQuantum正在進行大量研究，並不斷改進光子元件和工藝的性能。除了高性能光學元件外，支持該工藝的技術也非常重要，比如光開關、光纖到芯片互連和粘合方法。
Shadbolt博士說：“在 GlobalFoundries 的最後幾次流片中，我們極大地提高了光子探測器的效率，從系統中丟失的光子越來越少。在我們最近的芯片中，我們還將波導損耗降至極低的水平。這涉及很多創新。單光子光源就是一個很好的例子，將激光直接照射到芯片中，以運行單光子源。激光的強度大約是需要檢測的單個光子的一萬億倍，因此必須將該芯片上的光衰減大約一萬億倍。”
Shadbolt博士將 PsiQuantum 的製造成功歸功於GlobalFoundries。二線芯片代工廠比起像GlobalFoundries這樣的一線芯片代工廠之間存在顯著差異，PsiQuantum 所需的構建芯片只能通過極其成熟的製造工藝來構建。
他說：“PsiQuantum 有兩個苛刻的要求。我們需要大量的組件，而且這些組件要始終如一地滿足極其苛刻的性能要求。世界上很少有可靠的合作夥伴能夠地實現這樣的目標，與 GlobalFoundries 這樣的成熟芯片代工商合作將是我們戰略的關鍵。”
此次合作也對 GlobalFoundries 有利，因為它也將 PsiQuantum 的硅光芯片生產能力添加到工廠中，獲得了更多的新技術經驗。
終點在望
根據 Shadbolt 博士的說法，最初的問題是：是否可以在代工廠中製造大量量子器件。將直接來自大學實驗室的新設備納入製造流程一直很困難，它很耗時而且非常昂貴。納米單光子探測器就是這樣一個例子。
PsiQuantum 的半導體路線圖只剩下幾個項目需要完成。由於單個芯片無法容納一百萬個量子比特，因此量子計算機將需要用光纖將多個量子處理器芯片連起來，並加上超高性能光開關，最終實現芯片之間單光子操作的隱形傳輸和糾纏。
adbolt 博士說：“剩下的問題是光開關。你可能會問，為什麼光子量子計算的人從來沒有大規模建造過任何東西？或者為什麼他們沒有展示出非常大的糾纏態？原因是需要一個特殊的光開關。它必須具有非常高的性能，優於任何現有的最先進的光開關，例如用於電信網絡的光開關。儘管光開關是一個經典設備，其唯一功能是通斷波導之間的光信號，但在量子計算機中它必須以極低的損耗和非常高的速度完成，因此對光開關對性能要求極高。”
買不到就自己造
對於 PsiQuantum 來說，研發具有合適性能的光開關是成敗之舉。由於目前不存在適合的商用光開關，PsiQuantum 別無選擇只能製造一個。在過去的幾年裡他們一直在大力投資開發高性能光開關。
Shadbolt 博士解釋說：“這是 PsiQuantum 正在做的最令人興奮的事情之一。構建一個極高性能的光開關是我們路線圖中的下一件大事。我們相信這是開啟光學量子計算巨大前景的關鍵。”
總結
PsiQuantum建立在這樣一種信念之上，即光量子是構建具有百萬個量子比特的容錯量子計算機的正確路線，並且應該是是基於半導體工藝製造。同時創始人希望它不要隨着量子比特規模的擴大而變成體積巨大的機器。
考慮到構建百萬量子比特量子計算機整體過程的高度複雜性，相關工具和流程缺乏驗證，PsiQuantum成立以來所取得的進展非常驚人。它與世界上最好的代工廠建立了合作夥伴關係，完成了七個流片，並資助了六種新工藝，以構建首創的晶圓製造工藝，將超導單光子探測器整合到常規硅光子探測器中。
今天，它通過構建光開關來應對另一個挑戰，以填補空白。
毫不奇怪，超高性能光開關是 PsiQuantum 構建可擴展的百萬量子比特量子計算機計劃的關鍵部分。其他量子公司也計劃在十年內集成類似的光交換技術，以擴展模塊化的量子處理單元架構。另一方面，PsiQuantum 正在開發的高性能光開關未來也可以作為一個獨立的產品來銷售，部署在數百萬量子比特的數據中心中，連接數萬個量子處理單元，成為額外收入的來源。
在實現了光開關後，就需要將其整合到 GlobalFoundries 的製造流程中。這是完成 PsiQuantum 代工組裝過程所需的最後一步，然後將生產光子量子計算機芯片。
但是，即使有一個完整的端到端製造過程，構建成熟的容錯量子計算機也需要更多的時間。PsiQuantum 將繼續圍繞 GlobalFoundries 生產的芯片構建完整的量子計算機。為此，它將需要訓練有素的勞動力以及可以組裝、集成、測試和分發大型量子比特光子量子計算機的位置和基礎設施。
基於鑄造後工作量，光開關的開發和組裝，並假設沒有發生重大技術問題或延遲，相信在十年後，PsiQuantum才能提供任意規模的光子量子計算機。
Shadbolt 博士說：“儘管光開關是很多人感興趣的非常強大的通用技術，但我們對其通用性並不感興趣。我們只對一個事情感興趣——建造一台性能優於地球上所有超級計算機的量子計算機。這是我們唯一的目標。”
編譯：王衍
編輯：慕一
