英国砸25亿英镑，这项技术凭什么成为量子计算的基础底座？|光子|光学|英国|量子计算机

可扩展性是当今量子硬件领域最紧迫的问题之一，解决可扩展性挑战已成为政府大量投资的驱动力。这其中包括英国政府斥资25亿英镑的量子战略——一项旨在部署全球首台可扩展量子计算机的十年计划。

但要了解如何实现可扩展的量子系统，我们可能需要跳出量子学科的局限，借鉴其他久经考验的技术。在许多方面，量子可扩展性挑战与以往其他行业面临的挑战类似：更大的系统需要更多的硬件，这意味着更高的复杂性。

然而，量子系统的特殊之处在于，其系统稳定性依赖于保护脆弱的量子态免受任何微小的干扰以维持相干性，这进一步增加了挑战的复杂性。硬件在不断发展，随着组件数量的增加，这种隔离性也越来越难以维持。更不用说还会迅速遇到其他问题，例如发热量增加、延迟、对准复杂性以及封装挑战。

当前，硅光子学有望成为构建可扩展量子系统的主要候选技术。它提供集成的芯片级电路，能够生成、操控、路由和读取量子比特，并向以不同物理模式（例如光子、自旋、囚禁离子或中性原子）实现的量子比特传输光，并有可能从这些量子比特收集光。

同时，CMOS半导体行业数十年的经验表明，我们能够以极高的精度大规模制造集成硅电路，这对于可扩展性至关重要。

作为量子光学层的硅光子学

硅光子学是在硅基衬底上制造光学器件和集成电路的技术，利用硅及相关材料（如氮化硅、氧化硅）在光波导、调制器、分光器、光开关等器件中实现光的产生、传输、调制与探测。与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的全面兼容是硅光子学的核心优势。

在量子领域，硅光子学是一种与量子比特模式无关的光学控制层，能够支持依赖于高度精确的光学控制形成的量子计算平台，比如离子阱、中性原子和光子量子比特的量子计算平台。

离子阱系统利用电磁场限制单个离子，中性原子平台使用光镊固定并操纵原子，光子学方法则直接在光子本身的量子态中编码信息。基于自旋的平台，从半导体量子点到硅和金刚石的色心，同样依赖于精确的光学接口来初始化、读出和互连量子比特。

在每种情况下，都必须以精确的空间对准、波长选择和稳定性来传输多个激光束，才能可靠地操控量子比特。例如，对大型中性原子阵列进行快速、选址寻址，需要在微秒时间尺度上切换和调制光束，这在自由空间束流导引下难以维持，而在集成光子开关中则成了自然适配。

当然，研究人员也在积极探索高效收集这些量子比特发出的光，这一能力将支撑处理器之间的高保真读出和光子链接。随着量子比特数量的增加，这一点变得更加重要。

与CMOS同源的制造优势

和其他深度技术一样，量子计算机最初在实验室中诞生，依靠手动组装和校准。自由空间光学装置——手动组装的镜子、透镜、波片和分束器——可以在较小的系统中实现所需的控制，但随着量子比特数量增加到数百或数千，这些装置很快变得难以操作：手动对齐多个光束非常耗时，对振动敏感，并且容易漂移。

不过，随着技术从科学演示到商业工程的成熟，这一体系也在不断发展。通过将复杂的光学元件集成到单个芯片上，硅光子学以紧凑的形式提供精确、可重复的量子电路，从而支持这一发展。

此外，在多量子比特寻址场景中，波分复用（WDM）技术允许单个硅光子芯片在不同波长信道上同时操控多个量子比特，无需额外的自由空间光学元件。这是一个非常重要的系统级优化——它将多路光学控制的硬件复杂度从线性增长压缩到芯片集成的维度内。

总之，硅光子学在量子领域的竞争力，本质上来自两个相互强化的优势：制造精度和工艺生态。

在制造精度方面，硅光子芯片中的光波导尺寸通常在几百纳米到几微米量级，而这种结构对制造公差的要求极为严格。即使是波导尺寸的微小变化，也会影响光束的功率和相位，进而影响量子比特操控的保真度。

因此，制造意识设计（Manufacturing-Aware Design）成为硅光子量子芯片的核心设计方法论——通过器件版图布局来补偿可预测的工艺偏差，将系统级的量子门保真度与制造工艺的统计分布耦合起来进行协同优化。

这种设计-制造协同优化的能力，在CMOS行业已经积累了数十年的方法论和工具链。硅光子学与CMOS工艺的兼容性意味着这套工具链可以直接迁移，不需要从零构建。每个集成器件以极高的精度制造，芯片间的变异性大幅降低，从而为量子运算提供了可预测性和可重复性——这正是规模化量子系统所需要的质量保障。

在工艺生态方面，硅光子学已经是数据中心和人工智能基础设施中的成熟商业技术。全球主要数据中心互联、400G/800G光模块大量使用硅光子技术，Intel、Cisco、Broadcom等公司在这一领域已经建立了完整的供应链和代工生态。这对量子制造意味着，现有的制造生态系统可以直接复用，无需重建专用产线，从而显著降低量子硬件的制造门槛和成本。

PsiQuantum是这一判断最直接的产业验证。该公司明确采用硅光子学路线，计划利用标准半导体代工厂制造容错百万量子比特量子计算机。PsiQuantum与GlobalFoundries的合作正是基于这一逻辑——通过复用成熟CMOS代工产能，实现光子量子芯片的规模化生产。

连接混合模块化架构

硅光子学在量子领域如此有前景的另一个因素是向混合模块化架构的转变。在混合系统中，量子处理器用于特定的模拟或优化任务，而经典处理器则处理预处理、量子纠错和后处理。

硅光子学非常适合充当这些部件之间的互连层。光链路可以以高带宽和低延迟在量子核心和经典控制单元之间移动数据，而无需电气互连的热负载。模块化设计还允许多个光子芯片互连，为机架级系统乃至分布式量子网络奠定基础，并最终延伸至分布式量子网络的实现路径。量子中继和量子纠缠交换所需的光子接口，同样可以通过硅光子集成方案实现。