光量子計算研究與應(yīng)用

王新文 金賢敏,2

(1.上海圖靈智算量子科技有限公司，上海 200240；2.上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

在推動光量子計算創(chuàng)新應(yīng)用時，需深刻理解各行業(yè)痛點，考慮如何利用量子優(yōu)勢解決各類問題。同時，要把國家的戰(zhàn)略布局和企業(yè)的現(xiàn)實需求有機結(jié)合，利用光量子計算賦能百業(yè)。因此，有必要理解光量子計算的本質(zhì)內(nèi)涵、把握光量子計算的基本邏輯、找到光量子計算發(fā)展的現(xiàn)實路徑。

1 光量子計算的背景

量子計算是一個結(jié)合了物理學(xué)、計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)技術(shù)的跨學(xué)科領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)計算機相比，量子計算具有超高算力、并行計算、可逆計算等特點。目前，由于對量子技術(shù)規(guī)模化和商業(yè)化的渴望，相關(guān)研究工作已經(jīng)部分地轉(zhuǎn)移到了工業(yè)界[2]，可應(yīng)用在人工智能、電信網(wǎng)絡(luò)、航空航天、金融交易、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。早期的量子計算機正在向公眾開放，例如通過云端訪問量子硬件。量子計算的許多應(yīng)用，如因式分解[3-4]和哈密頓模擬[5-6]需要大規(guī)模的容錯量子計算機。量子計算算法和應(yīng)用不斷拓展，有可能率先在量子化學(xué)、組合優(yōu)化、人工智能等方面獲得突破?，F(xiàn)有的量子計算機的規(guī)模、連接性和電路深度都較為有限[7]。目前它們是次通用的，為執(zhí)行特定的任務(wù)而定制[8-12]。光量子計算屬于量子計算路徑的一種，將量子信息編碼在光子上，進行操控和測量實現(xiàn)計算(見圖1)。

圖1 在單光子上編碼和操控量子比特

量子計算市場空間潛力巨大，2021年更是量子計算備受矚目的一年，被業(yè)界稱為“光量子計算元年”，多個大額單筆融資均投給了光量子路線。知名前沿科技咨詢公司光子盒研究院發(fā)布的報告顯示，2021年量子科技公司完成融資共計49筆，全年融資總額近32億美元，這一數(shù)字是2020年的3倍多，其中，量子計算公司包攬了42筆，融資總額26.91億美元[13]。據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(IDC)預(yù)計，全球量子計算市場將從2020年的4.12億美元增長至2027年的86億美元，年復(fù)合增長率高達50.9%[14]。

近十年來，隨著摩爾定律瀕臨極限，全球多個國家和地區(qū)圍繞光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展紛紛開展了系統(tǒng)的部署和行動。2022年4月，美國政府撥款數(shù)千萬美元支持芯片代工廠格芯開發(fā)光量子計算機。

與此同時，荷蘭集成光子學(xué)生態(tài)聯(lián)盟PhotonDelta宣布獲得11億歐元(約合76億元人民幣)用于投資開展為期6年的光子集成電路項目，旨在召集200家初創(chuàng)公司擴大生產(chǎn)規(guī)模、進一步開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加速光子芯片技術(shù)創(chuàng)新，以保持荷蘭在下一代半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。來自荷蘭經(jīng)濟事務(wù)和氣候政策部及其他組織的資金將通過推動光子芯片技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，解決諸如可持續(xù)性等社會挑戰(zhàn)，創(chuàng)造一個新的歐洲產(chǎn)業(yè)，并為包括量子計算在內(nèi)的大量新應(yīng)用打開大門。該投資主要來自荷蘭國家增長基金(Nationaal Groeifonds)及其他合作伙伴和利益相關(guān)者。其遠期目標是到2030年，建立一個擁有數(shù)百家公司并具備年產(chǎn)量超10萬片的芯片生產(chǎn)能力的生態(tài)聯(lián)盟共同為全球客戶提供服務(wù)[15]。

2021年7月，上海市人民政府辦公廳印發(fā)《上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》[16]，明確把光子芯片與器件列為面向未來的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之首，提出要重點突破硅光子、光通信器件、光子芯片等新一代光子器件的研發(fā)與應(yīng)用，在光子器件模塊化技術(shù)、基于互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)的硅光子工藝、光通信技術(shù)、光互聯(lián)技術(shù)、芯片集成化技術(shù)、光電集成模塊封裝技術(shù)等方面的研究開展重點攻關(guān)。未來五年，上海將力爭實現(xiàn)新一代光子器件在數(shù)據(jù)中心、超級計算機、汽車自動駕駛、家用機器人、電信設(shè)備以及國防裝備等領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈的顛覆性革新[16]。

2 光量子計算技術(shù)優(yōu)勢

目前可用的量子計算機可在多種物理平臺上實現(xiàn)：超導(dǎo)量子比特[17]、離子阱[18]、光量子[19]、量子退火器[20]、半導(dǎo)體量子比特[21]和里德堡原子[22]都被作為建立量子計算機的范例而被追求。這些方法中有幾個已經(jīng)被研究了幾十年，而其他的則是最近才被發(fā)現(xiàn)的。

光量子計算技術(shù)是將量子比特信息編碼在單個光子上，通過對光子進行量子操控及測量來完成計算。與超導(dǎo)、離子阱、半導(dǎo)體等技術(shù)路線相比，光子與外部環(huán)境的相互作用極其微弱，無需真空和低溫；信息存儲量大、熱量散發(fā)少、能耗相對較??；兼容量子通信。光量子計算是沒有相對劣勢的技術(shù)路線。

近期光學(xué)領(lǐng)域中光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光子神經(jīng)形態(tài)計算的發(fā)展受到越來越多的關(guān)注[23-24]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個由節(jié)點和鏈接組成的高度互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，其中信息通過網(wǎng)絡(luò)分布，與信息在大腦中分布和處理高度相似。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以采取從經(jīng)典計算機上使用軟件實現(xiàn)的數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，和到在專用硬件上實現(xiàn)的模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也稱為神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)。

光學(xué)和光子學(xué)非常適合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬，因為光具有在大量光學(xué)節(jié)點之間形成自由空間互連的優(yōu)越能力。深度機器學(xué)習(xí)在過去5年中得以迅速發(fā)展，隨后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)也有了大幅度的發(fā)展。特別是，現(xiàn)在可以使用傳統(tǒng)的深度機器學(xué)習(xí)來設(shè)計用于固定任務(wù)的模擬光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的互連，如圖像識別[25]。其核心優(yōu)勢在于計算速度和能耗。

在神經(jīng)計算中，大約90%的時間和能耗用于矩陣乘法運算。驅(qū)動經(jīng)典計算機的深度學(xué)習(xí)算法需要使用嵌套循環(huán)進行乘法運算。光學(xué)技術(shù)非常適合于以完全并行的方式進行矩陣乘法。此外，使用光學(xué)的硬件以光速運行，延遲只受到光學(xué)系統(tǒng)的飛行時間的限制。如果光學(xué)系統(tǒng)是1 m，那么完整計算的時間只有幾納秒，幾乎沒有能量耗散，結(jié)合光的自然平行性和速度已經(jīng)產(chǎn)生了前所未有的計算速度。例如，最近驗證的光學(xué)矢量卷積加速器運算速度已經(jīng)超過10萬億次運算每秒(Tera Operation Per Second， TOPS)[26]。

3 玻色采樣與光量子霸權(quán)

量子計算在操縱和測量簡單的量子系統(tǒng)方面取得了穩(wěn)步的進展，但量子計算的理論前景與實驗室中的結(jié)果之間存在差距。2011年，Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov 在一項研究中報告了易于測試的計算模型的重要進展，這項研究的內(nèi)在計算能力來自于不可區(qū)分的、非相互作用的玻色子的量子干涉[27]。所提出的具體問題稱為玻色采樣。這個問題吸引人的原因在于其相對直接的實施線性光學(xué)元件，如分束器和移相器。

此研究將難以區(qū)分的單個光子注入到單模波導(dǎo)的線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中。由于光子通過網(wǎng)絡(luò)時的量子干涉，光子呈現(xiàn)出復(fù)雜的糾纏效應(yīng)，最后用單光子探測器測量光子的位置。這與經(jīng)典高爾頓棋盤相似(見圖2)，其中的球隨機落入一系列的釘板。然而，盡管這些可區(qū)分的經(jīng)典球沿著熟悉的、不同的路徑向下移動，從它們遇到的每個釘子向左或向右滾動，但在某種意義上，光子在它們的網(wǎng)絡(luò)中共同采用所有可能的路徑。

圖2 經(jīng)典高爾頓板和玻色采樣

2012年，牛津、布里斯班、維也納和羅馬的4個小組進行了實驗[28-31]，并在同一周內(nèi)公布了實驗結(jié)果。使用光子進行玻色采樣，可以在室溫下操作，而且抗退相干性強。2012年年底，其中兩個小組在《科學(xué)》雜志上報道了玻色采樣實驗[28-29]。

高斯玻色子采樣(Gaussian Boson Sampling, GBS)[32-33]作為一種新的范式出現(xiàn)，作為玻色采樣問題的一種，不僅可以為大規(guī)模的實現(xiàn)提供一種高效的方法，而且在基于圖的問題[34]和量子化學(xué)[35]中提供潛在的應(yīng)用。GBS不使用單光子，而是充分利用參數(shù)下轉(zhuǎn)換源的高斯性質(zhì)，并利用單模擠壓態(tài)作為輸入的非經(jīng)典光源。

2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊構(gòu)建了76個光子100模式的量子計算原型機“九章”[36]，量子態(tài)空間達到了1030，相比之下，谷歌“懸鈴木”的量子態(tài)空間約為1016。九章實現(xiàn)了GBS任務(wù)的快速求解，九章在200 s內(nèi)完成了當(dāng)時世界最強超算“富岳”6億年才能完成的任務(wù)，快1014倍。2021年，潘建偉團隊又構(gòu)建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”[37]，產(chǎn)生的希爾伯特空間維度高達1043，求解高斯玻色采樣問題比經(jīng)典超算快1024。

2022年，加拿大Xanadu團隊與美國國家標準與技術(shù)研究所合作研發(fā)可編程光量子芯片Borealis[38]，并證明了量子計算的優(yōu)越性。使用具有三維連接性的216壓縮態(tài)量子比特執(zhí)行GBS，日本最快超算富岳產(chǎn)生一個樣本需要9 000多年，而Borealis只需要36 μs。這項工作同樣是通往實用量子計算機道路上的重要里程碑。

4 光量子計算全球主要參與者

目前在全球范圍內(nèi)已形成重要影響力，且備受資本青睞的3家光量子初創(chuàng)公司分別是美國的PsiQ、加拿大的Xanadu和中國的首家光量子計算公司圖靈量子(TuringQ)。來自美國的PsiQ創(chuàng)立于2016 年，致力于整個量子計算堆棧的研究，從光子和電子芯片到封裝和控制電子、低溫系統(tǒng)、量子架構(gòu)和容錯，再到量子應(yīng)用。2021年，PsiQ融資4.5億美元，包含微軟的風(fēng)險投資部門M12的投資，總?cè)谫Y額為6.65億美元，估值為30億美元。作為全球量子計算領(lǐng)域融資最高的創(chuàng)業(yè)公司，PsiQ與世界第三大芯片制造商格芯(Global Foundries) 宣布合作共同打造世界首臺100萬量子比特的量子計算機，而此前雙方已開始制造該量子計算機所需的硅光子和電子芯片。

來自加拿大的Xanadu在2021年宣布B輪融資1億美元，2022年又獲得1億美元融資，累計融資總額達到2.45億美元。這些光量子計算公司的大額融資，足見市場對于光量子計算的信心，同時也意味著光量子計算的競爭正在加劇。如在PsiQ宣布將于2025年實現(xiàn)100萬量子比特后，Xanadu也表示將在2026年實現(xiàn)100萬量子比特。

國內(nèi)首家光量子計算公司圖靈量子成立于2021年2月，經(jīng)過不到一年即完成3輪大額融資，累計融資額超過5億元人民幣，前兩輪均為國內(nèi)量子計算領(lǐng)域最大的早期融資。目前，圖靈量子已啟動國內(nèi)第一條光子芯片中試線建設(shè)，兩年內(nèi)有望建成專注于新一代信息技術(shù)需求的光子芯片前沿研究和產(chǎn)業(yè)化支撐平臺，其技術(shù)團隊已具備從設(shè)計、流片、封測，到系統(tǒng)集成和算法應(yīng)用的全鏈條研發(fā)能力。

5 光量子計算芯片

量子芯片是量子計算機的核心部分，作為執(zhí)行計算和信息處理的硬件裝置。光量子計算的芯片化已成為必然趨勢。光量子芯片采用傳統(tǒng)的微納加工工藝在單個芯片上集成大量的光量子器件來實現(xiàn)量子計算過程，具有高集成度、超高速度、超強并行性、超高帶寬、超低延遲、超低損耗等優(yōu)勢。而實現(xiàn)通用量子計算機有3個前提，即100萬量子比特的操縱能力、低環(huán)境要求、高集成度，光量子路徑是都能夠滿足這些條件的技術(shù)體系，是通向大規(guī)模通用量子計算的可行路徑。全球各大光量子計算公司紛紛與芯片制造商合作或自建芯片中試線。

PsiQ已經(jīng)與全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商 GlobalFoundries 合作，共同研發(fā)基于硅光子集成的Q1量子系統(tǒng)。PsiQ 將單光子源和單光子探測技術(shù)納入GlobalFoundries位于德國德累斯頓的最先進的300 mm 晶圓產(chǎn)線的工藝流程，使量子硬件的生產(chǎn)具備規(guī)?；涂蓴U展的特性。

位于加拿大的光量子計算公司Xanadu與GlobalFoundries和世界領(lǐng)先的納米電子和數(shù)字技術(shù)研究創(chuàng)新中心Imec都有合作。2021年8月，Xanadu與Imec合作開發(fā)基于超低損耗氮化硅(SiN)波導(dǎo)的下一代量子比特。2022年3月，Xanadu與GlobalFoundries合作，使用其Fotonix平臺設(shè)計集成光子器件，并制造300 mm硅光子器件以實現(xiàn)量子糾錯。

2021年11月，無錫市濱湖區(qū)、蠡園開發(fā)區(qū)與上海交通大學(xué)共同成立了無錫光子芯片聯(lián)合研究中心。在光子芯片驅(qū)動新一代信息技術(shù)變革的大背景下，集光子芯片前沿應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化于一體的我國首個光子芯片中試線應(yīng)運而生。上海交通大學(xué)教授、長江學(xué)者、圖靈量子的創(chuàng)始人兼CEO金賢敏擔(dān)任該聯(lián)合研究中心主任。

無錫光子芯片聯(lián)合研究中心光子芯片中試線平臺一期投資4億元人民幣，建設(shè)以鈮酸鋰薄膜(LNOI)及三維光子芯片工藝研發(fā)和迭代為核心，融入傳統(tǒng)CMOS工藝，可研發(fā)出能夠快速迭代的高端光子芯片工藝技術(shù)，預(yù)計不久后可實現(xiàn)批量化生產(chǎn)(見圖3)。

圖3 超快可編程光量子芯片

雖然我國相較歐美國家進入光量子計算領(lǐng)域較晚，但通過近幾年在技術(shù)上的快速追趕，已逐步實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控，并開始努力解決芯片“卡脖子”難題。

6 光量子計算的產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用

量子計算的發(fā)展最終將落實到各行業(yè)的具體應(yīng)用當(dāng)中，對于產(chǎn)業(yè)界而言，重要的是將量子計算應(yīng)用與自身業(yè)務(wù)相結(jié)合。量子計算有望在不遠的將來，在某些特定領(lǐng)域找到殺手級應(yīng)用，并逐步向通用量子計算過渡。據(jù)波士頓咨詢和麥肯錫的研究，預(yù)計在未來幾年，全球能源和材料、金融以及藥品和醫(yī)療產(chǎn)品的先驅(qū)可能會開始從量子計算產(chǎn)品中產(chǎn)生巨大價值。鑒于解決最復(fù)雜的醫(yī)學(xué)問題需要模擬深度復(fù)雜的分子，藥物的巨大回報可能要到下一個十年才會到來。生物醫(yī)藥、化學(xué)模擬、能源、天氣預(yù)報、金融科技、運輸物流、人工智能、大數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)安全等眾多行業(yè)將有潛力從量子計算中創(chuàng)造重大價值。

2022年4月，PsiQ宣布了與梅賽德斯-奔馳研發(fā)部門的共同研究[39]，鋰離子電池(LiB)中的電解質(zhì)分子如何可以在容錯量子計算機上進行模擬，從而使汽車制造商在下一代電池設(shè)計中尋求突破。此研究系統(tǒng)地闡述了容錯量子計算如何加速電池設(shè)計，包括鋰離子電池，這是當(dāng)今電動汽車電池設(shè)計中最普遍的技術(shù)。鋰離子電池在充放電過程中通過電解質(zhì)材料將電荷從一個電極移動到另一個電極而起作用。新的改進的電解質(zhì)將對電池性能的各個方面產(chǎn)生重大影響，包括能量密度(效率)、充電速度、電池壽命、范圍、成本和安全性。開發(fā)新的鋰離子電池目前需要大量的試驗和錯誤。原則上，這種緩慢而昂貴的研發(fā)過程可以通過計算機模擬和驗證新的化學(xué)物質(zhì)而得到顯著加速，這在空氣動力學(xué)、機械設(shè)計和其他應(yīng)用中已經(jīng)成為常規(guī)。然而，經(jīng)典超級計算機很難模擬這些分子的重要量子行為和反應(yīng)。量子計算機有望克服這一限制。

2022年5月，Xanadu團隊開發(fā)了一種有望在容錯量子計算機上模擬鋰離子電池的方法[40]，以提供對更好性能的洞察。這些模擬有能力改善材料性能，為在量子水平上進行工業(yè)模擬奠定了基礎(chǔ)。

圖靈量子具備國際領(lǐng)先的光量子芯片集成全棧核心技術(shù)，于2021年發(fā)布了國內(nèi)首個全系統(tǒng)集成的商用科研級專用光量子計算機——TuringQ Gen 1(見圖4)，包括量子光源、光量子信息處理芯片、探測系統(tǒng)、專用光量子計算軟件、光量子芯片EDA軟件云接入、光量子計算操作系統(tǒng)(TuringQ OS)及量子云平臺。

圖4 國內(nèi)首個全系統(tǒng)集成的商用科研級專用光量子計算機—TuringQ Gen 1

2021年圖靈量子提出DeepQuantum量子-經(jīng)典混合算法架構(gòu)，使得量子-經(jīng)典混合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用實現(xiàn)上有巨大潛力，結(jié)合底層的CPU、GPU以及光子芯片和光量子芯片的異構(gòu)架構(gòu)的支撐有望實現(xiàn)更高的運行效率和更低的能耗。

圖靈量子將量子計算和人工智能技術(shù)相結(jié)合，先后發(fā)布四大量子AI制藥模塊與兩大量子金融應(yīng)用模塊。圖靈量子在AI制藥領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大技術(shù)突破[41]，推出一系列量子AI應(yīng)用模塊，其中基因組學(xué)(QuOmics)、藥物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(QuChen)、藥物虛擬篩選(QuDocking)、化學(xué)分子逆合成(QuSynthesis)四大模塊已實現(xiàn)不同程度的量子算法增強，另有蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(QuProtein)和分子動力學(xué)模擬(QuDynamics)的功能模塊正在開發(fā)中。圖靈量子在金融科技領(lǐng)域推出量子計算應(yīng)用模塊產(chǎn)品和商用服務(wù)系列——圖靈金科，其中信用卡欺詐預(yù)判(QuFraudDetection)和投資組合優(yōu)化(QuPortfolio)兩大模塊均已實現(xiàn)一定程度的量子算法增強。

7 結(jié)束語

量子計算是一項對傳統(tǒng)計算體系產(chǎn)生沖擊、進行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，是關(guān)系到國家戰(zhàn)略的關(guān)鍵性技術(shù)，也是各國必爭之地。量子計算與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合，不僅可提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展的效率，而且可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的升級換代，形成新業(yè)態(tài)，構(gòu)建新型創(chuàng)新生態(tài)圈，催生新的經(jīng)濟增長點。我國應(yīng)當(dāng)把握大趨勢，下好先手棋，在新一輪的國際量子競賽中贏得先機。