这家公司想用光打造下一代量子计算机MIT科技评论

这台可能改写计算规则的机器，未来会被安置在一个介于数据中心和冰淇淋工厂之间的空间里。房间里将排列约 100 个不锈钢机柜，每个高约 1.8 米，接入液氦供应系统，把内部温度维持在仅比绝对零度高出几度的水平。机柜内部容纳数百块芯片，芯片上运行着数千个光子，穿行于由光学开关和分束器构成的复杂网络中。每个光子的运动轨迹都必须被精确记录，因为最终对其位置的测量，可能帮科学家解开一些传统计算机需要数百万年才能算出答案的问题。

不过眼下，这台机器还只存在于设计图纸上。

（来源：麻省理工科技评论）

它是量子计算公司 PsiQuantum 的愿景。2016 年，四位来自英国高校的物理学家共同创立了这家公司。在竞争激烈的量子计算赛道上，几乎每家公司都提出过雄心勃勃的目标，PsiQuantum 希望自己能率先把设想变成现实。

自物理学家 Richard Feynman 于 1981 年提出量子计算的构想以来，人们始终期待这类机器能利用量子粒子的特殊性质，加速从新药研发到人工智能的各个领域。传统计算机用比特（bit）作为信息单位，每个比特只能表示 0 或 1；量子计算机则用量子比特（qubit），它可以处于多种状态的叠加之中。大量量子比特组合起来，理论上能形成远超传统计算机的算力。但直到今天，最先进的量子计算原型机规模仍然有限，错误率也居高不下，距离解决真正有实际价值的问题还很遥远。

这也让 PsiQuantum 对未来的设想显得格外大胆。比如，公司希望用量子计算模拟细胞色素 P450（cytochrome P450）酶的作用，这类酶广泛参与人体内药物的分解过程。PsiQuantum 量子应用副总裁 Philipp Ernst 说，按现有方法，评估一种药物与这类酶的相互作用可能要花上 10 多年时间。“我们的目标，是把这个过程压缩到 4 分钟。”

在一个到处都是宏大承诺的领域里，PsiQuantum 之所以格外受关注，主要有两个原因：一是它几乎从成立之初就把目标锁定在大规模、实用化的量子计算机上；二是它已经和大型芯片制造商合作，打算直接利用现有的半导体制造体系来生产量子计算系统。

这套战略正在获得大量资源支持。去年，PsiQuantum 完成 10 亿美元融资，并在芝加哥启动了一项与地方政府合作的量子计算设施项目，同时也在澳大利亚建设第二个基地，计划让该设施在 2027 年具备运行条件，也就是可以安装并运行硬件的状态。此外，PsiQuantum 还是仅有的两家进入美国政府一项严格量子计算评估计划第三阶段的公司之一，另一家是 Microsoft。这项计划要判断哪些量子计算公司真正有可能造出可用的系统。

只是，判断 PsiQuantum 能否兑现承诺，不像看一份临床试验结果那样直接。量子计算的进展通常是渐进式的，关键技术细节高度复杂，外界很难独立验证一家公司内部真实的工程进度。如今，PsiQuantum 正走到必须自证的阶段：多年闭门研发和数亿美元投入，最终会证明这家公司能造出一台真正有用的量子计算机，还是让这个愿景落空。答案最快从明年就能见分晓。

PsiQuantum 的四位创始人之一 Terry Rudolph 说话轻声细语，留着一头略显凌乱的长发。他出生在 Malawi，直到拿到第一个物理学位后才发现，自己竟是物理学家 Erwin Schrödinger 的外孙。后来，他自行出版了一本 150 页的量子计算科普读物，想讲给青少年听。PsiQuantum 的公关人员曾送给记者一本签名版，还开玩笑说：“我们其实没指望真有人读完。”不过，这本书确实兼具趣味和可读性。

大约从 2014 年起，Rudolph 和其他几位联合创始人逐渐相信，他们在理论研究中发现的可能性，或许真能在现实机器里实现。四人先后离开学术岗位，按照各自专长分工：Rudolph 主攻理论，Mark Thompson 负责工程研发，Pete Shadbolt 推动技术规模化，Jeremy O’Brien 制定公司愿景并寻找投资者。O’Brien 曾长期担任 CEO，直到今年 2 月卸任，接棒的是半导体行业资深人士 Victor Peng。

图｜Pete Shadbolt（来源：麻省理工科技评论）

现代科学至今仍有大量东西无法精确预测。人类还不能可靠判断哪一块锂电池会起火，也难以准确算出飞机关键部件的腐蚀速度。这背后的原因不只是系统复杂，更关键的是，它们最终都要服从量子力学的支配。亚原子粒子不像宏观物体那样有明确的位置和速度，而是处于多种可能性叠加的量子状态中，这种不确定性进一步影响着原子和分子的行为。

一个世纪前，Schrödinger 就提出了描述这种量子状态的数学方法，但一旦把这些方程用到现实世界的复杂系统上，计算量会迅速膨胀，即便是今天最强大的传统计算机也难以精确求解。于是，科学家们只能靠近似计算、不完全的模拟，或者动物实验来弥补这道缺口。

图｜PsiQuantum 材料实验室内用于制备钛酸钡薄膜的真空沉积设备（来源：麻省理工科技评论）

20 世纪 80 年代，Richard Feynman、David Deutsch 等物理学家开始设想：能不能造一种全新的机器，直接利用量子规律来计算？这种机器不再依赖只有“开”“关”两态的晶体管，而是操控处于量子态的粒子完成运算，最后再测量结果。

如果自然界本身遵循量子规律，那么用量子系统去模拟量子系统，或许能第一次让物理和化学模拟真正贴近现实。这将是设计新药、新材料以及解决一切受量子力学支配的问题的重要工具，也可能给计算方式带来一场深刻变革。

在 Rudolph 看来，人类每一次读懂自然规律的重大突破，往往都会催生新的技术工具：“我不认为工业革命发生在人类学会计算和模拟牛顿力学、热力学以及经典电磁学之后，只是巧合。每当我们拥有更强的计算、模拟和理解能力，就会造出由此而生的不可思议的机器。”他相信量子计算机也会带来类似的转变。

量子计算领域长期面临一个核心难题：究竟哪种量子系统才足够稳定、可控，能拿来当量子比特用。候选方案包括离子、原子和人工制造的特殊量子结构，但量子系统极其脆弱，任何观测都可能让叠加态坍缩成某个确定状态。

如果坍缩发生在计算过程中，而不是最终读取时，就会产生错误。错误一旦累积，量子计算机就给不出可靠答案。这有点像早期航空技术，工程师当时也拿不准飞机机翼该固定不动，还是像鸟翅一样振动。

如今，量子计算领域同样没有定论。Google 和 IBM 押注超导量子比特，用铝这类金属做超导电路；Intel 选择利用电子；PsiQuantum 押的则是光子，也就是构成光的基本粒子。

“光子有很多优势，”Rudolph 说。其中最重要的一点是，光子能长时间维持量子状态。宇宙微波背景辐射里的光子，可能已经这样维持了数十亿年。

但光子的挑战也很明显。它们运动极快、容易散射，更麻烦的是，两个光子通常会直接穿过彼此，不会产生相互作用。可量子计算恰恰需要量子比特之间能相互影响，这让光子一度被认为根本不适合做计算单元，甚至让不少科学家怀疑基于光子的量子计算能不能实现。

不过， 2001 年，Los Alamos National Laboratory 和 University of Queensland 的研究人员发现，让光子穿过由分束器和探测器组成的网络，可以在效果上模拟出光子之间的相互作用。这项研究改变了整个领域，PsiQuantum 的目标正是把这套理论变成现实。

但首先要解决规模问题。早期方案里的光子量子计算机，可能得大到覆盖整个 California。2010 年代初，当时还是 Rudolph 博士生的 Mercedes Gimeno-Segovia，在差点成为职业小提琴家之后，提出了一种能大幅缩小系统规模的方法。

此后，PsiQuantum 逐渐摸索出自己的技术路线：先用激光产生光子并让它们“纠缠”。在这种量子现象里，粒子不再拥有各自独立的状态，而是共享同一个整体量子态；随后光子进入由量子门构成的复杂网络完成计算；最后系统读取光子的量子状态，同时不断追踪并修正计算过程中出现的错误。

这套流程真正的难点在于，每一步都得成功执行数百万次。这已经不是一个普通的工程挑战，更像一道难以逾越的技术壁垒。与此同时，PsiQuantum 还得建起完整的供应链，比如制造具备特殊性能的新材料，才能让单个光子沿着预定路径稳定传输。

低温、材料与规模化