室温运行的可扩展模块化光子量子计算机Aurora

1. 概述加拿大Xanadu公司团队公布了名为“Aurora”的模块化光子量子计算机模型，发表于《Nature》，题为“Scaling and networking a modular photonic quantum computer”。研究通过构建名为“Aurora”的模块化光子量子计算机模型，实验验证了光子量子计算架构的可扩展性与网络化能力，整合了所有实现通用容错量子计算的核心功能模块（如图1所示）。该系统基于35块光子芯片（基于氮化硅、铌酸锂、硅基平台），通过光纤互联实现12个物理量子比特模式的并行操作，合成了86.4亿模式的时空纠缠集群态，并演示了实时解码的距离-2重复码。论文强调：“尽管当前组件性能尚未达到容错阈值，但模块化设计为未来通过提升单元器件性能跨越容错门槛提供了明确路径”。
2. 光量子计算机原理与架构
核心原理
Aurora基于光学GKP（Gottesman-Kitaev-Preskill）编码，将量子信息编码在连续变量（正交基）中，通过确定性线性光学操作（如分束器）和同轴检测实现逻辑门与纠错。其关键优势在于：
室温操作：仅依赖分束器、光子数解析（PNR）探测器等室温器件，无需超导单光子探测器。容错能力：通过GKP编码将物理噪声转化为可检测的错误综合征，结合实时解码抑制逻辑错误。

架构设计
系统分为三个阶段（如图1）：

图1 原理图
（1）高斯玻色子采样（GBS）阶段：
使用GBS芯片生成多模压缩态（84个压缩器），通过光子数解析（PNR）探测筛选非高斯态前驱。
输出状态通过光纤延迟线缓冲，等待后续处理。
（2）精炼（Refinery）阶段：
自适应分束器树（Binary Tree）对输入态进行多路复用与“培育”（Breeding），结合同轴检测优化态质量。
测量基压缩（Squeezer）将输出态对齐到统一的GKP相空间网格，生成GKP传感器态。
两路传感器态通过50:50分束器纠缠为GKP Bell对，作为集群态的基本单元。
（3）量子处理单元（QPU）阶段：
QPU芯片阵列通过静态分束器网络将Bell对投影到GHZ态，合成全连接的时空集群态。
每时钟周期对所有模式进行同轴测量，结果实时反馈至经典解码器，动态调整后续测量基。

3. 光芯片架构

图2 主要模块与芯片架构
Aurora系统采用模块化光子集成芯片（PIC），分为三类功能芯片（如图2）：
（1）GBS芯片（氮化硅平台）：
集成42个GBS单元（含84个压缩器），生成双模压缩态与纠缠态。36个PNR探测器用于筛选非高斯态，需低温制冷（唯一非室温模块）。
（2）精炼芯片（薄膜铌酸锂平台）：每块芯片含12个自适应分束器树，实现四选一多路复用与态培育。集成同轴探测器，动态调整分束比以优化输出态质量。（3）QPU芯片（硅基平台）：执行静态分束器操作与同轴测量，将Bell对投影为GHZ态。通过相位调制器实现GKP哈达玛门，完成集群态合成。所有芯片通过定制光纤延迟线模块互联，确保相位与偏振稳定性，支持非局域纠缠与时空模式缝合。
4. 光量子计算机性能规模与吞吐量：
单时钟周期提供12个物理量子比特模式，支持86.4亿模式（7.2亿时间模式）的集群态合成。系统总损耗约14 dB，但仍维持纠缠度（方差持续低于真空噪声水平）。
容错能力：演示了距离-2重复码的实时解码，验证了误差综合征诊断与反馈机制。光学损耗容忍度分析表明，当前架构可通过提升单元器件效率（如PNR探测效率、压缩器亮度）接近容错阈值。
模块化扩展性：全系统占用4个标准服务器机架，支持无限扩展（通过增加芯片与光纤路由）。经典控制与实时馈送（单时钟周期延迟）确保大规模集群态的同步操作。
4. 挑战与局限
光子损耗问题：论文指出光学损耗是跨越容错阈值的主要障碍，需进一步优化光子芯片效率和光纤传输性能。
规模化瓶颈：当前系统规模（12物理量子比特/周期）仍远低于实用化需求，需依赖更高速率的纠错编码（如LDPC码）和芯片制程提升。
技术成熟度：相比超导和离子阱方案，光量子计算在物理比特误差率和逻辑比特编码效率上仍需突破。
5. 对比其他技术路线
超导量子计算：虽然比特规模更大（如IBM Condor的1121比特），但极低温环境和可扩展性受限。
离子阱与中性原子：在逻辑门实现和误差率上表现优异，但规模化成本高、系统集成复杂度大。
光子量子计算：凭借可扩展性、室温运行和光纤网络兼容性，在量子通信与分布式计算领域具备独特优势。
6. 总结与展望Aurora通过模块化光子芯片与光纤网络，实验验证了光子量子计算的完整架构，解决了非高斯态合成、实时馈送、时空纠缠等核心挑战。Aurora标志着光量子计算从实验室向实用化迈出关键一步，其模块化架构和室温运行特性为量子数据中心建设提供了可行路径。
Xanadu计划2029年部署百万量子比特数据中心，若解决光子损耗与容错技术难题，光量子计算有望成为量子互联网时代的基石。 尤其适用于需要高并发、室温操作的场景（如数据中心量子加速）。