12/14/2023，光纖在線訊，Xanadu硬件首席技術(shù)官Zachary Vernon分享了硅光子學(xué)是量子計算未來的觀點，強調(diào)了硅光子學(xué)是實現(xiàn)能在室溫下運行的容錯量子計算機的最快路徑，對于量子計算機的發(fā)展具有深遠的影響，為構(gòu)建更穩(wěn)定、可靠、高效的量子計算提供了重要支持和可能性。

     硅光子學(xué)是在CMOS平臺上制造集成光子學(xué)的技術(shù)，近兩年來成為一個熱門詞匯，因為這項技術(shù)有望為數(shù)據(jù)中心提供更快、更安全、更高效的解決方案，應(yīng)對人工智能日益增長的傳輸需求所帶來的壓力。然而，硅光子學(xué)的潛力并不局限于傳統(tǒng)計算和通信領(lǐng)域。

     Xanadu是一家量子計算公司，成立于2016年，總部位于加拿大多倫多。該公司正在基于硅光子學(xué)芯片構(gòu)建容錯計算機。利用光子作為量子比特，Xanadu相信硅光子學(xué)將是實現(xiàn)能在室溫下運行的容錯量子計算機的最快路徑。作為Xanadu硬件負責人的首席技術(shù)官Zachary Vernon，在去年11月參加全球半導(dǎo)體聯(lián)盟主辦的2023年亞太高層論壇時，向DIGITIMES Asia談到了光子學(xué)對量子計算領(lǐng)域帶來的機遇。

   
Xanadu CTO Zachary Vernon
實現(xiàn)容錯的競賽

     目前，基于不同原理的幾種類型的量子計算機已經(jīng)問世，包括超導(dǎo)量子比特、量子點、離子阱和光子等。Vernon指出：“不同類型的量子計算機區(qū)別在于使用了不同類型的硬件。目前，它們之間存在激烈的競爭，不同類型的量子計算機適用于解決不同的問題，但都處于原型階段，無法實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。理想情況下，如果構(gòu)建量子計算機的所有方法都成功了，那么它們應(yīng)該是等效的，能夠解決相同的問題。”

     “為構(gòu)建更為可靠和穩(wěn)定的量子計算機，我們需要實現(xiàn)容錯性和錯誤糾正。在實現(xiàn)容錯性方面，擴展性和性能都非常重要。這意味著在量子計算機中，需要大量的量子比特來編碼和糾正錯誤，并且這些量子比特需要具有高性能。目前，光子學(xué)被認為是實現(xiàn)這一目標并且擴展速度最快的方法�！�

   

     光子學(xué)使得可以使用光纖以不同的方式將不同芯片進行網(wǎng)絡(luò)連接，這提供了比超導(dǎo)方法更好的連接性。Vernon表示：“由于光子學(xué)提供了更好的連接性，意味著可以更好地設(shè)計和實現(xiàn)一些量子編碼技術(shù)，特別是量子低密度奇偶檢驗（LDPC）糾錯編碼技術(shù)，來提高可靠性和準確性。

     實際上，光子學(xué)是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)這種能力的方法。因為其他方法在量子比特之間的連接性上受到限制，而光子學(xué)技術(shù)可以利用光纖，將量子比特在量子計算機內(nèi)部或網(wǎng)絡(luò)中進行路由和傳輸，將它們傳送到所需的位置或節(jié)點，這樣就可以更有效地進行量子信息的傳遞和處理。這種能力對于構(gòu)建大規(guī)模的量子計算機非常關(guān)鍵，因為它允許量子比特以更高效、更靈活的方式進行通信和交換，更好地支持量子計算機的運算和功能。

     隨著量子比特數(shù)量的增加，光子學(xué)在量子計算中的重要性也增加。為了發(fā)揮光子學(xué)的優(yōu)勢，量子計算機可能需要數(shù)百萬個量子比特。Xanadu能夠利用更優(yōu)秀的LDPC技術(shù)，訪問比其他競爭方法多出十到一百倍的邏輯量子比特，因此在量子計算中具備更大的潛在優(yōu)勢。

     Vernon強調(diào)：“我們認為任何從事硅光子學(xué)制造的人都要密切關(guān)注量子計算行業(yè)�！�


光子學(xué)將是實現(xiàn)規(guī)模的最快途徑

     據(jù)Xanadu預(yù)測，一旦實現(xiàn)容錯性并開始擴大規(guī)模，每年增加數(shù)百個邏輯量子比特，僅Xanadu每年就需要數(shù)十萬個300 mm晶圓。因為量子計算機就像一個數(shù)據(jù)中心，實際上需要數(shù)千或數(shù)百萬個芯片來構(gòu)建。這是一個非常重要的市場機遇，在幾年內(nèi)量子計算機所需的硅光子學(xué)晶圓產(chǎn)量將與當前生產(chǎn)的硅光子學(xué)晶圓的產(chǎn)量相比較。Vernon表示：“在未來幾年，Xanadu希望實現(xiàn)容錯，并擴展到1000個糾錯邏輯量子比特。這看起來像一個擁有大約10,000個機架的數(shù)據(jù)中心。目前，公司的重點就是開發(fā)所需的硬件，以提供部署在云端的、具備容錯性的計算機�！�

     從長遠來看，使用硅光子學(xué)技術(shù)有潛力將量子計算機部署到靠近邊緣終端的位置。"原則上，使用光子學(xué)的量子計算機可以放置在消費設(shè)備內(nèi)部。" Zachary Vernon解釋道，"盡管需要開發(fā)某些技術(shù)，但從原理上講，這種能力是存在的，因為它們都可以在室溫下工作。但實際是否可行，還需要更多時間來研究�！�

     從市場角度來看，Xanadu用于編程量子計算機的軟件庫PennyLane是該公司的主要產(chǎn)品。該產(chǎn)品是與 Nvidia、Amazon Web Services 共同合作開發(fā)的�！癙ennyLane是用于開發(fā)量子計算機算法的領(lǐng)先軟件API之一，” Zachary Vernon評論道，“它最初專門從事機器學(xué)習應(yīng)用程序：量子機器學(xué)習，并圍繞它發(fā)展了一個社區(qū)，占據(jù)了算法開發(fā)市場的相當大一部分�！盭anadu首席技術(shù)官還強調(diào)了PennyLane與硬件無關(guān)的特點：它不僅限于光子量子計算機或Xanadu的硬件，可以在不同的平臺上使用它。目前，Xanadu已經(jīng)與多個硬件供應(yīng)商合作證實了這一點。比如，Xanadu與大眾汽車等多家汽車制造商合作，利用PennyLane開發(fā)用于電池模擬的量子算法。


錯失全球競爭的風險

     在人工智能革命即將來臨之際，Xanadu指出，“盡管量子機器學(xué)習領(lǐng)域仍處于起步階段，但已經(jīng)進行了大量研究工作。在目前正在進行的大量算法開發(fā)中，量子計算機似乎能夠以非常不同的方式處理某些機器學(xué)習任務(wù)。然而，在完全探索其原理之前，仍然需要大規(guī)模的容錯量子計算機。一旦這些技術(shù)擴展到非常龐大的規(guī)模，就能更有效地處理傳統(tǒng)的機器學(xué)習基本操作，例如矩陣運算。”

     Vernon認為，量子計算機不會取代數(shù)據(jù)中心，而是會增強數(shù)據(jù)中心，這表明量子計算并不能解決邊緣集群目前正在完成的計算問題和應(yīng)用。他指出：“由于問題的數(shù)學(xué)性質(zhì)或結(jié)構(gòu)，在某些情況下，普通的經(jīng)典計算機無法處理，而量子計算機所采用的獨特方法能夠有效地解決這類問題。并且，量子計算機的發(fā)展不是對現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)的簡單改進或微小優(yōu)化。最新的云端部署機器Borealis就是一個很好的例子，它能夠擊敗世界上最強大的超級計算機，相較于Fugaku效率提升了幾個數(shù)量級�！�

     從根本上講，量子計算處理的是一套完全不同的問題，這些問題不是僅擴大數(shù)據(jù)中心就可以解決的�！八�開辟了憑借現(xiàn)有技術(shù)無法觸及的應(yīng)用市場，而且將始終如此�！�



     鑒于量子計算的戰(zhàn)略重要性，一場全球競爭已經(jīng)展開。在談及加拿大在其中的優(yōu)勢時，Vernon表示，該國在生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)超常，特別是在人才培養(yǎng)方面，許多來自加拿大優(yōu)秀的物理學(xué)家和工程師被Xanadu直接聘用。在談及臺灣的優(yōu)勢時，Vernon認為臺灣是“半導(dǎo)體的麥加”，因此未來也將成為硅光子學(xué)的中心，并在Xanadu未來的供應(yīng)鏈中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在加拿大駐臺北貿(mào)易辦事處的幫助下，Xanadu已與臺灣多家晶圓廠和封裝測試廠建立了關(guān)系。

     對于其他光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)，Vernon認為氮化硅和鈮酸鋰是兩個極其重要的新興平臺，Xanadu已經(jīng)研究了相當長一段時間。

     “如果不積極參與，就會錯失良機，”Vernon說道。過去幾年里，美國和歐洲在光子量子計算方面花費了很多時間和精力，因此已經(jīng)稍稍領(lǐng)先一步。他希望各國能夠清楚地認識到量子計算的潛在威力和對未來的重要性，并積極投身于量子計算領(lǐng)域。

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