PsiQuantum计划利用光构建大规模量子计算机

# PsiQuantum 计划用光打造一台巨型量子计算机 来源：https://www.technologyreview.com/2026/07/14/1140356/psiquantum-plan-massive-quantum-computer-out-of-light 这台可能改变世界的机器将被安置在一间既像数据中心又像冰淇淋工厂的房间里。里面大约有100个不锈钢机柜，每个约六英尺高，并连接着液氦供应系统，使其温度仅比绝对零度高几度。这些机柜内部有数百个芯片，芯片上则有成千上万的光粒子在光学开关和分束器的迷宫中飞行。每一个光子都必须被精确追踪，因为精确测量其最终到达的位置将有助于解答当前计算机可能需要数百万年才能解决的问题。 如所述，这台计算机目前并不存在。它是2016年由四位来自英国大学的物理学家创立的PsiQuantum公司的构想。在一个资金雄厚、同样拥有奇幻愿景的拥挤赛道上，这家公司立志成为第一个兑现承诺的企业。 自物理学家理查德·费曼于1981年首次构想量子计算机以来，这类计算机一直承诺通过利用量子粒子的特性，加速从医学研究到人工智能等各个领域。与普通计算机比特只能是*1*或*0*不同，量子比特可以同时存在于多种状态。将足够多的量子比特组合在一起，就能制造出一台能够完成远超当今传统机器能力的计算机。但即使是最好的量子原型机也仍然太小、错误太多，无法做任何有用的事情。 这使得PsiQuantum对其计算机最终所能达成的承诺更加大胆。想想这家公司对预测细胞色素P450酶（这种酶通常会在体内分解药物）效应的期望。如果制药公司能更精确地了解这些酶对特定分子的作用机制，就能更快地设计出更有效的药物。PsiQuantum的量子应用副总裁Philipp Ernst表示，用目前的方法估算一种特定药物的效果可能需要超过10年时间，但“我们的目标是将时间缩短到四分钟。” 该公司的芯片将被安装在大型机柜中。一台足够强大、具有商业用途的量子计算机预计需要大约100个这样的机柜连接在一起。 图片提供：PSIQUANTUM 在这个充满各种宣称的领域里，PsiQuantum因其两个特点而吸引了非同寻常的投资和关注：它是少数几家直接瞄准制造大型且实用机器的公司之一，并且它已经与一家主要的芯片制造商合作，利用现有的半导体晶圆厂来构建其系统。其愿景已获得势头：去年，PsiQuantum筹集了10亿美元资金，并在芝加哥破土动工，与地方政府合作建设一个场地。它还在澳大利亚规划了第二个场地，并承诺该场地将于2027年投入运营——即硬件就绪。它还是仅有的两家（与微软一起）进入了一项严格的政府评估项目第三阶段的公司，该项目旨在评估哪些量子公司可能成功。 评估PsiQuantum能否兑现其承诺，比评判一家制药公司的临床试验结果要困难得多：量子计算的进展是渐进的、不透明的，并且从外部很难验证。但这家公司现在正接近其证明自己的关键时刻，多年的闭门工作和数亿美元的投资要么最终打造出一台有用的量子计算机，要么功亏一篑。最早明年，我们就可能知道答案。 ### **一种新型机器** Terry Rudolph是PsiQuantum四位创始人之一，说话温和，头发蓬乱。他出生在马拉维，直到获得第一个物理学学位后才知道自己是著名物理学家埃尔温·薛定谔的孙子。后来，他自行出版了一本150页的书，向青少年解释量子计算（我的公关联系人给了我一本签名版，并眨眼说“我们从没指望任何人真的读这本书”，但据我所知，这是一本有趣而有帮助的书）。 大约在2014年，Rudolph和他的联合创始人们越来越确信，他们理论上认为可能的量子突破也可能在真实的机器中实现。他们最终放弃了学术职位，分工合作：Rudolph负责理论，Mark Thompson负责工程，Pete Shadbolt负责技术规模化，Jeremy O'Brien负责阐述愿景和寻找投资者（O'Brien担任CEO直到二月；接替他的是半导体行业资深人士Victor Peng）。 要理解这家公司正在建造的量子计算机为何意义重大，不妨想想现代科学在多大程度上仍然不够精确。例如，我们无法可靠地预测哪块锂离子电池会起火，或者关键的飞机部件会以多快速度腐蚀。 这不仅仅是因为这些系统复杂——尽管它们确实复杂。更根本的原因是，它们在核心层面受到量子力学的支配。亚原子粒子并没有明确定义的属性——比如这个位置和那个速度——而是占据着分布在许多可能状态中的量子态。这反过来又影响了一系列原子和分子的行为。薛定谔（记得吗，Rudolph的祖父）在整整一个世纪前就展示了如何用数学描述这种模糊性，但即使是最好的计算机，要在现实世界系统上精确地进行这些计算也很快变得不可行。科学家们通过近似、不完美的模拟或动物实验来应对这一差距。 WINNI WINTERMEYER WINNI WINTERMEYER PsiQuantum联合创始人兼首席科学官Pete Shadbolt（左），以及公司为制造其钛酸钡（一种具有完美导光特性的材料）而建造的机械（右）。 费曼、David Deutsch以及其他物理学家在20世纪80年代思考，我们是否能做得更好。也许这种复杂性可以通过一种新型机器来建模。这种机器不是使用只有开或关两种状态的晶体管，而是使用处于量子态的粒子，操纵它们进行计算，最后在末端测量它们以获得答案。利用量子系统模拟量子系统，将首次允许直接反映现实的物理和化学模拟。这将为设计新药、新材料或任何受量子力学影响的事物提供无价的工具。换句话说，这是一场革命。 Rudolph告诉我，人类在理解自然运作方式上的飞跃常常导致强大新工具的发明。“我不认为工业革命与我们计算和模拟牛顿力学定律、热力学定律、……经典电磁学定律的能力正好是巧合，”他说。“每当我们拥有更强大的计算、模拟和理解事物的能力时，我们就能从中制造出令人难以置信的机器。”他认为量子计算机也将带来类似的东西。 ### **追逐光子** 一直以来的一个谜是，哪种量子*实体*——离子、原子，或是用量子特性工程改造的全新实体——能被制作得足够稳定和可控，从而用作量子比特（量子计算世界的基本单位）。量子系统很脆弱，观察任何特定粒子都会导致它坍缩到一种状态，而不是多个状态的叠加。如果这种情况发生在计算过程中而不是结束时，就会产生一个必须纠正的错误。这类错误太多，计算机就无法产生有用的答案。 就像航空早期的工程师不确定机翼是固定的还是像鸟翅膀一样拍动一样，我们还不确定哪种量子实体效果最好。Google和IBM押注于超导量子比特，即由铝或其他金属制成的超导电路。Intel使用的是电子。PsiQuantum使用的是光子，即构成光的粒子。 “光子有很多优点，”Rudolph说。它们可以长时间维持量子态；事实上，宇宙微波背景中的光子可能已经维持了数十亿年。但光子运动速度快，也容易散射。更重要的是，两个光子更有可能相互穿过而不是相互作用。这使得它们成为量子计算的挑战性候选者，因为量子比特需要相互影响。 有一段时间，这最后一个缺陷似乎注定了用光进行量子计算的想法会失败。但在2001年，洛斯阿拉莫斯国家实验室和昆士兰大学的研究人员找到了一个突破口。他们发现，通过将光粒子送入一个由分束器和探测器组成的网络，可以在本质上模拟光子之间的相互作用。他们的论文改变了一切。PsiQuantum的创建就是为了将这一理论变为现实。 尺寸是第一个问题；以前的计划需要一台像加利福尼亚州一样大的计算机。Mercedes Gimeno-Segovia在2010年代初期曾是Rudolph的博士生（她差点转而成为一名职业小提琴家），她想出了一种让机器变得更小的方式。 自那以后的基本过程是这样的：首先用激光产生光子，然后让它们“纠缠”，利用一种量子现象，即粒子不再拥有各自独立的状态，而是共享一个状态。接着，将它们引导通过一个由执行计算的门组成的迷宫，最后在末端读出其量子态的细节，同时跟踪和纠正发生的错误。成功执行这些步骤数百万次与其说是一个工程障碍，不如说是一堵砖墙。而构建供应链——比如制造具有路由单个光子特质的新材料——是艰巨的。 PsiQuantum很大一部分资金用于定制冷却设备，这些设备使用液氦储罐来冷却公司的芯片。图中显示的是PsiQuantum位于加利福尼亚州米尔皮塔斯一个设施的冷却系统的一部分。 图片提供：PSIQUANTUM 为了了解全貌，去年我陪同Shadbolt参观了位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室。该中心帮助产生了多项诺贝尔奖，并在1968年发现夸克（构成质子和中子的基本物质构建块）中发挥了作用。但PsiQuantum在那里设立据点，本质上是为了从SLAC巨大的低温工厂中抽取液氦。这就是该公司用来将其计算柜冷却到深空温度的设备。 目前机柜的工作温度为2开尔文（-456°F），但目标是能在稍暖的温度下运行——即舒适的-452°F。大多数量子方法需要将整台机器冷却到超导温度，因此运行成本中很大一部分实际上用于制冷。但光子计算机只需要一个部件达到这么低的温度——即在计算结束时测量单个光子的探测器。而且所需的温度可以稍高一些。（PsiQuantum在5月份表示，它将把计划获得的《芯片法案》1亿美元资助中的一部分用于这些探测器。） 抽取液氦的装置是临时解决方案；PsiQuantum现在在其加利福尼亚州米尔皮塔斯的测试设施中拥有自己的冷却系统，并计划明年在其澳大利亚的生产现场建造一个更大的系统。这些氦系统代表了任何量子公司最大的资本支出之一，并将消耗PsiQuantum 10亿美元融资轮中的相当一部分。 下午，我们驱车前往圣何塞的一个实验室，在那里我穿上了洁净服（一种全身覆盖的服装，用于隔绝灰尘），观看了一种名为钛酸钡的蓝色晶体的制造过程。 这种材料因其能快速、可靠地以非常低的电力输入路由光粒子，使珍贵的光子在通过电路时不受干扰，而受到PsiQuantum的青睐。但尽管钛酸钡对公司具有理论价值，其结构却使其制造起来很麻烦，而且PsiQuantum起步时这种材料无法大规模供应。据Rudolph告诉我，公司在经过痛苦的抉择后，决定内部制造，这需要巨额投资。我看到一名技术人员——操作着一个看起来像巨大高压锅的设备——将基础元素加入几个料斗中；然后我通过舷窗观察，这些元素被加热、汽化，最后在一个晶圆盘上结晶成薄薄的一层。当时每个圆盘大约需要12小时才能制成；该公司现在称每天生产数个。然后这些圆盘被运往纽约州马耳他的芯片制造商GlobalFoundries，在那里制造PsiQuantum的芯片。 WINNI WINTERMEYER WINNI WINTERMEYER 该公司投入巨资自行制造钛酸钡，这种材料精细的晶体结构制造起来非常繁琐。 PsiQuantum的赌注是，尽管这条供应链听起来错综复杂，但它将使公司比竞争对手更高效。这是因为，稍加观察就会发现，它就像是现有硅光子芯片供应链（另一种利用光传输信息的技术——已经用于数据中心）的强化高精度版本。如果PsiQuantum大规模生产其芯片，它就可以利用已经存在的工具和基础设施。 但一个能工作的芯片容易与数千个其他芯片连线并非必然。这就是为什么公司分阶段进行测试：其米尔皮塔斯站点已连接了三个机柜，每个机柜有250个芯片，但下一步是扩展系统规模，看看公司的纠错技术能否跟上。该公司表示，一旦冷却系统于明年晚些时候抵达澳大利亚站点，它计划连接大约100个机柜。然后PsiQuantum将逐步运行其承诺的改变世界的算法。 值得注意的是，这个时间表存在争议。新闻报道称，PsiQuantum的目标是在2027年于其澳大利亚站点上线第一台全尺寸量子计算机，但该公司坚称这个截止日期被误读了，它只打算在明年年底前让其设施“投入运营”。这意味着冷却系统就位，准备好安装硬件，但不对准备就绪的计算机尺寸做任何承诺。在一个时间表不断变化却又恰恰是评判公司核心的行业里，这种区别并非无关紧要。 ### **走进未知** 也许最适合判断PsiQuantum是否会成功的局外人是五角大楼。美国国防高级研究计划局——五角大楼的研究开发部门——一直在一个项目中评估哪些夸夸其谈的量子公司可能真正交付成果。在过去的一年半里，该项目负责人听起来越来越有信心。Joe Altepeter（去年之前一直负责该项目，并自豪地自称“量子怀疑论者”）在2025年3月告诉我：“我现在比过去10年中的任何时候都更乐观。”而他的继任者Micah Stoutimore在今年早些时候的一份声明中表示，“现在看来，到2033年，*有人*很可能会建造出一台实用规模的量子计算机”，指的是一台通过计算产生的价值超过其建造和运营成本的机器。 该项目已对PsiQuantum的系统进行了超过一年的审查，并已认定其方法