国际量子科技前沿｜光量子计算机Aurora：点亮量子计算的新曙光
国际量子科技前沿｜光量子计算机Aurora：点亮量子计算的新曙光
2025年1月22日，加拿大Xanadu团队在《自然》杂志发表重磅成果，宣布成功研制全球首台模块化光量子计算机Aurora！这台机器不仅集成了所有基础功能单元，更以864亿模式的跨芯片簇态创下世界纪录，为光量子计算迈向实用化扫清关键障碍。
什么是光量子计算？
光量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算方式，它利用光子作为信息载体，通过操控光子的量子态（如偏振、路径等）来编码量子比特，并执行计算任务。光量子计算突破了传统计算机基于二进制位的计算模式，实现了更高效的并行计算和模拟能力。其工作原理主要基于量子叠加态和纠缠态原理，通过非线性光学效应产生纠缠光子对，再利用线性光学元件对光子进行操控，以实现量子逻辑运算。光量子计算具有高速、高精度、易于集成和低环境要求等优势，被认为是通向大规模通用量子计算的最可行方案之一，有望在量子通信、量子密码学、量子化学等领域发挥重要作用。
Xanadu公司简介
2016年：Xanadu公司在加拿大成立，专注于光量子计算机的研发。公司得名于英国诗人萨缪尔·柯勒律治想象中由忽必烈营造的东方都市“上都”，寓意着构建一个超越时代的信息处理系统。公司的创始人兼CEO克里斯蒂安·韦德布鲁克是量子物理学专家，他致力于实现“建造人人皆可用的量子计算机”的宗旨。
2018年：Xanadu公司率先将机器学习和量子计算结合在一起，推出了Strawberry Fields软件库，这是第一个将量子软件纳入机器学习库TensorFlow的内置模拟器。
2019年：Xanadu公司与BMO金融集团和丰业银行合作，开发了一款应用于金融领域的新型量子算法——量子蒙特卡洛（Quantum Monte Carlo）。此外，公司还发布了量子云平台Xanadu Quantum Cloud，旨在为企业、开发者和研究人员提供量子计算服务。
2020年：Xanadu公司推出了三款光量子计算机，分别为8模式、12模式和24模式。同年，公司与亚马逊展开合作，将Penny Lane集成在亚马逊的量子计算服务平台Amazon Braket中。
2021年：Xanadu公司推出了X8光量子处理单元，这是一款可编程、可扩展的光量子芯片。该芯片能够执行多种算法，并在量子计算领域取得了重要突破。此外，公司在这一年继续加强与学界和商界的合作，以验证其量子计算产品的性能和可靠性。
2022年：Xanadu公司与大众汽车集团达成合作关系，将专注于开发量子算法，展示了公司在量子计算领域的广泛应用前景。
2025年：Xanadu 推出了全球首台可扩展光量子计算机 “Aurora”，计划在 2029年建立一个量子数据中心，预计该数据中心将拥有数千台服务器，其中包含100万个量子比特。
光量子计算机Aurora：点亮量子计算的新曙光
量子计算的“光速革命”
近年来，量子计算领域竞争白热化，超导、离子阱、中性原子等平台你追我赶，但光量子计算始终以其独特的优势备受关注——光子芯片可室温运行、易集成、光纤网络天然适合扩展。然而，如何构建兼具容错性和可扩展性的全功能系统，一直是未解的难题。2025年1月22日，加拿大Xanadu团队在《自然》杂志发表重磅成果，宣布成功研制全球首台模块化光量子计算机Aurora！这台机器不仅集成了所有基础功能单元，更以864亿模式的跨芯片簇态创下世界纪录，为光量子计算迈向实用化扫清关键障碍。
Aurora的“硬核架构”：35芯片+光纤组网
图1 架构原理图
Aurora的设计堪称量子工程的典范。其核心由35个光子芯片构成，分为三大模块，通过相位和偏振稳定的光纤互联，形成可无限扩展的机架式系统：
- 高斯玻色子采样（GBS）器件：准备初始非高斯态；
- 精炼厂芯片：提高非高斯态的质量并将其纠缠成两模GKP贝尔对；
- 量子处理单元（QPU）：将纠缠对编织成时空簇态，并执行实时测量与纠错。
图2 Aurora系统和主要模块的示意图
每个模块独立封装，仅需4个标准服务器机柜即可部署，仅光子数分辨探测器（PNR）需低温运行。这种模块化设计使得后续扩展只需增加芯片数量，无需重构整体架构。
四大核心突破：从理论到实践的全栈验证
Aurora并非“实验室玩具”，而是首次完整演示了光量子计算所需的全套核心技术：
- 非高斯态合成：突破量子计算的“资源瓶颈”
传统光量子系统依赖单光子，但概率性操作成功率极低。Aurora创新性地采用高斯玻色采样（GBS）装置，通过光子数分辨探测器（PNR）触发，实现了单时序模式非高斯资源态的确定性合成。实验中使用36个PNR探测器，以3.05%的概率生成近似GKP态的压缩猫态，为后续纠错奠定基础。
- 实时多路复用：从“碰运气”到“精准调度”
面对量子态合成的概率性问题，Aurora在精炼厂芯片中嵌入四输入二元树多路复用器，动态选择最优输入态并进行“培育”（Breeding）。这一技术将低质量态迭代优化，最终输出高保真度的GKP贝尔对，成功率提升超10倍。
- 时空簇态编织：864亿模式的量子“神经网络”
通过光纤延迟线和静态分束器，Aurora将贝尔对编织成三维时空簇态，横跨12个空间模式和7.2亿个时间模式，总规模达864亿模式！实验显示，其零化器方差持续低于真空噪声，证明跨芯片纠缠的稳定性。
- 自适应测量与实时解码：容错性的“终极考验”
团队演示了距离-2重复码的实时纠错：
- 前4个时钟周期：执行两次重复码校验，通过置信传播算法解码；
- 第5个时钟周期：根据解码结果动态选择X或Z基测量，成功率超51.2%。
控制实验表明，基于解码反馈的测量基调整显著提升了态间关联性（图3d），验证了实时纠错能力。
图4 容错阈值
性能指标：距离实用化还有多远？
尽管Aurora实现了功能验证，但要达到容错阈值仍需突破性能瓶颈：团队指出，若组件损耗降低20-30 dB（相当于光纤通信中的数量级提升），同时制造工艺支持千万级芯片量产，光量子计算机有望在10年内突破容错阈值。
未来蓝图：从实验室到数据中心
Aurora的诞生不仅是原理验证，更为产业化指明方向：
- 组件革命：光子芯片的“纳米级进化”
- 压缩光源：新型硅氮化物波导将传播损耗降至2.2 dB/m，微环逃逸效率超98%；
- 探测器：超导纳米线单光子探测器（SNSPD）效率突破99%，速率达1 GHz；
- 调制器：薄膜铌酸锂（TFLN）分束树损耗降至0.03 dB，支持百万级开关集成。
- 架构升级：兼容高码率LDPC码
当前架构基于表面码，未来可适配量子低密度奇偶校验（LDPC）码，将逻辑量子比特开销从千倍级降至百倍级。结合非对称GKP晶格编码，容错阈值有望再降低2-3 dB。
- 规模化路径：“量子数据中心”不是梦
按现有设计，百万逻辑量子比特需数千万GBS单元，对应数万台服务器机柜。团队计划通过3D光子集成、片上激光器等技术，将组件密度提升百倍，最终构建与经典数据中心规模相当的量子算力集群。
终章 结语：光量子计算的“黎明时刻”
Aurora的突破证明，光量子计算不再是纸上谈兵。其模块化、网络化、室温运行的特性，与光纤通信生态天然契合，为未来量子互联网埋下伏笔。尽管前路仍需跨越组件性能的“死亡之谷”，但这项研究无疑点燃了行业希望——当光子芯片迈入纳米级精度，量子计算或许将如光纤般照亮全球。
