首页 > 编程学习 > 一文深度了解估值最高量子初创企业!PsiQuantum的愿景、技术及合作

(图片来源:网络)

2009 年,布里斯托大学教授 Jeremy O'Brien 发表了一篇研究论文,描述了如何重新利用片上光学元件来操纵单个光粒子并执行量子操作。片上光学元件最初是由电信行业开发的。

经过早期的光子研究,到 2016 年, O'Brien和他的三位学术同事Terry Rudolph、Mark Thompson 、 Pete Shadbolt 创建了PsiQuantum。

这些创始人都认为,用传统方法构建尺寸实用的量子计算机将花费太长时间。在公司成立之初,PsiQuantum团队就确立了构建一百万量子比特容错光子量子计算机的目标。他们还认为,制造这种机器的唯一方法是在半导体代工厂制造它。

早期进展

大约两年前,PsiQuantum 首次引起关注,当时它获得了 1.5 亿美元的 C 轮融资,使公司的总投资额增加到 2.15 亿美元。

这种投资规反映了人们对 PsiQuantum 正在建造的任何量子设备的潜力都非常感兴趣。当时,PsiQuantum 以隐身模式运行,因此关于其研究的可用信息很少。

去年,再次获得了 4.5 亿美元的 D 轮融资后,PsiQuantum 披露了有关其技术的更多信息。就在几周前,一笔2500万美元的美国政府拨款被联合授予PsiQuantum及其制造合作伙伴 GlobalFoundries,用于加工和进一步开发其光子量子计算机。拥有 GlobalFoundries 作为合作伙伴是对质量的保证。GlobalFoundries是一家高品质的一流晶圆厂,也是全球三大一级铸造厂之一。

PsiQuantum目前的估值为31.5亿美元,它所遵循的量子路线图主要由其自己设计的垫脚石铺就,具有构建百万量子比特通用硅光子量子计算机所需的独特技术、组件和工艺。

基础技术

经典计算机使用数字位对信息进行编码,以表示零或一。量子计算机使用量子比特(qubits),它也可以表示一或零,或者同时处于零和一之间的某个数字的量子叠加态。有多种量子比特技术。IBM、谷歌和 Rigetti 使用由小线圈制成的量子比特,当温度很低时,这些线圈会变成超导体。Quantinuum 和 IonQ 使用从镱原子中去除外层价电子形成的离子来充当量子比特。Atom Computing 使用锶的同位素制造中性原子自旋量子比特。

光用于超导体和原子量子计算机中的各种操作。PsiQuantum也使用光,并将无穷小的光子变成量子比特。光子量子比特有两种类型:挤压光和单光子,PsiQuantum选择的技术是单光子量子比特。

使用光子作为量子比特是一个复杂的过程。在数以万亿计的具有不同频率和能量的光子中,确定单个光子的量子态是很复杂的。

Pete Shadbolt 博士是 PsiQuantum 的联合创始人兼首席科学家。他的职责包括监督技术和科学相关政策和程序的应用和实施,这些政策和程序对PsiQuantum的成功至关重要。2014 年在布里斯托大学获得实验光子量子计算博士学位后,他在帝国理工学院从事博士后研究,研究光子量子计算理论。在布里斯托尔期间,他展示了首个变分量子特征解析器和首个用于量子处理器的公共 API。曾被英国研究委员会授予2014 EPSRC“新星”、获得了EPSRC励志科学家和工程师奖、欧洲物理学会论文奖。

Shadbolt 博士解释说:从光束中检测单个光子类似于从亚马逊河的最宽处收集一滴指定的水。这个过程发生在一个硬币大小的芯片上,PsiQuantum 芯片体现了非凡的工程和物理学,我们在不断提高芯片的保真度和单光子源性能。

对用作量子比特的光子有严格的要求。一致性和保真度对光子量子计算机的性能至关重要。因此,每个光子源必须具有高纯度、适当的亮度,并产生一致的光子。

合适的伙伴

一年前,当 PsiQuantum 宣布其D轮融资时,该公司透露,它已与 GlobalFoundries 建立了合作伙伴关系,为光子量子芯片首创了制造工艺。这种制造工艺生产出 300 毫米的晶圆,其中包含数千个单光子源和单光子探测器。该晶圆还包含干涉仪、分离器和移相器。为了控制光子芯片,GlobalFoundries工厂还制造了具有大约 7.5 亿个晶体管的先进电子 CMOS 控制芯片。

位于佛蒙特州埃塞克斯的GlobalFoundries

光子优势

每一种量子比特技术都有其自身的优点和缺点。PsiQuantum 选择使用光子来构建其量子计算机,原因如下:

1、光子感觉不到热量,大多数光子组件在室温下工作;

2、PsiQuantum 的超导量子光子探测器需要冷却,但工作温度比超导量子比特高 100 倍左右;

3、光子量子比特与光纤网络兼容,便于在本地设备之间路由光子;

4、光子不受电磁干扰的影响。

光子量子比特的另一个主要优势是:它能够在较长的时间内保持量子态。例如:尽管传播了数十亿年,遥远的恒星和星系发出的光仍然完好无损地到达地球。一个量子比特保持其极化量子态的时间越长,它可以执行的量子操作就越多,这使得量子计算机更加强大。

为什么要从一百万个量子比特开始?

Shadbolt 博士说:“我们已经破解了构建百万量子比特量子计算机的代码,尽管这是一个巨大的数字,但不难。我们所要做的过程类似于:将数十亿个晶体管放入手机中。我们现在正在GlobalFoundries 300 毫米平台上的笔记本电脑和手机芯片旁边构建量子芯片。”

据 Shadbolt 博士介绍,PsiQuantum 的定制生产线取得了很大进展。令人惊讶的是,在代工厂中建造百万量子比特的量子机器,与组装经典超级计算机有许多相同的非量子问题,包括芯片产量、可靠性、高通量测试、封装和冷却。

Shadbolt 博士说:“从我们宣布与 GlobalFoundries合作到现在,我们已经生产了大量的硅,总共做了七次流片,成百上千的硅晶圆从我们的门里出来。我们在封装、组装系统、集成和光纤连接方面投入巨资,以确保光流入和流出芯片的最高效率。”

PsiQuantum正在进行大量研究,并不断改进光子元件和工艺的性能。除了高性能光学元件外,支持该工艺的技术也非常重要,比如光开关、光纤到芯片互连和粘合方法。

Shadbolt博士说:“在 GlobalFoundries 的最后几次流片中,我们极大地提高了光子探测器的效率,从系统中丢失的光子越来越少。在我们最近的芯片中,我们还将波导损耗降至极低的水平。这涉及很多创新。单光子光源就是一个很好的例子,将激光直接照射到芯片中,以运行单光子源。激光的强度大约是需要检测的单个光子的一万亿倍,因此必须将该芯片上的光衰减大约一万亿倍。”

Shadbolt博士将 PsiQuantum 的制造成功归功于GlobalFoundries。二线芯片代工厂比起像GlobalFoundries这样的一线芯片代工厂之间存在显著差异,PsiQuantum 所需的构建芯片只能通过极其成熟的制造工艺来构建。

他说:“PsiQuantum 有两个苛刻的要求。我们需要大量的组件,而且这些组件要始终如一地满足极其苛刻的性能要求。世界上很少有可靠的合作伙伴能够地实现这样的目标,与 GlobalFoundries 这样的成熟芯片代工商合作将是我们战略的关键。”

此次合作也对 GlobalFoundries 有利,因为它也将 PsiQuantum 的硅光芯片生产能力添加到工厂中,获得了更多的新技术经验。

终点在望

根据 Shadbolt 博士的说法,最初的问题是:是否可以在代工厂中制造大量量子器件。将直接来自大学实验室的新设备纳入制造流程一直很困难,它很耗时而且非常昂贵。纳米单光子探测器就是这样一个例子。

PsiQuantum 的半导体路线图只剩下几个项目需要完成。由于单个芯片无法容纳一百万个量子比特,因此量子计算机将需要用光纤将多个量子处理器芯片连起来,并加上超高性能光开关,最终实现芯片之间单光子操作的隐形传输和纠缠。

adbolt 博士说:“剩下的问题是光开关。你可能会问,为什么光子量子计算的人从来没有大规模建造过任何东西?或者为什么他们没有展示出非常大的纠缠态?原因是需要一个特殊的光开关。它必须具有非常高的性能,优于任何现有的最先进的光开关,例如用于电信网络的光开关。尽管光开关是一个经典设备,其唯一功能是通断波导之间的光信号,但在量子计算机中它必须以极低的损耗和非常高的速度完成,因此对光开关对性能要求极高。”

买不到就自己造

对于 PsiQuantum 来说,研发具有合适性能的光开关是成败之举。由于目前不存在适合的商用光开关,PsiQuantum 别无选择只能制造一个。在过去的几年里他们一直在大力投资开发高性能光开关。

Shadbolt 博士解释说:“这是 PsiQuantum 正在做的最令人兴奋的事情之一。构建一个极高性能的光开关是我们路线图中的下一件大事。我们相信这是开启光学量子计算巨大前景的关键。”

总结

PsiQuantum建立在这样一种信念之上,即光量子是构建具有百万个量子比特的容错量子计算机的正确路线,并且应该是是基于半导体工艺制造。同时创始人希望它不要随着量子比特规模的扩大而变成体积巨大的机器。

考虑到构建百万量子比特量子计算机整体过程的高度复杂性,相关工具和流程缺乏验证,PsiQuantum成立以来所取得的进展非常惊人。它与世界上最好的代工厂建立了合作伙伴关系,完成了七个流片,并资助了六种新工艺,以构建首创的晶圆制造工艺,将超导单光子探测器整合到常规硅光子探测器中。

今天,它通过构建光开关来应对另一个挑战,以填补空白。

毫不奇怪,超高性能光开关是 PsiQuantum 构建可扩展的百万量子比特量子计算机计划的关键部分。其他量子公司也计划在十年内集成类似的光交换技术,以扩展模块化的量子处理单元架构。另一方面,PsiQuantum 正在开发的高性能光开关未来也可以作为一个独立的产品来销售,部署在数百万量子比特的数据中心中,连接数万个量子处理单元,成为额外收入的来源。

在实现了光开关后,就需要将其整合到 GlobalFoundries 的制造流程中。这是完成 PsiQuantum 代工组装过程所需的最后一步,然后将生产光子量子计算机芯片。

但是,即使有一个完整的端到端制造过程,构建成熟的容错量子计算机也需要更多的时间。PsiQuantum 将继续围绕 GlobalFoundries 生产的芯片构建完整的量子计算机。为此,它将需要训练有素的劳动力以及可以组装、集成、测试和分发大型量子比特光子量子计算机的位置和基础设施。

基于铸造后工作量,光开关的开发和组装,并假设没有发生重大技术问题或延迟,相信在十年后,PsiQuantum才能提供任意规模的光子量子计算机。

Shadbolt 博士说:“尽管光开关是很多人感兴趣的非常强大的通用技术,但我们对其通用性并不感兴趣。我们只对一个事情感兴趣——建造一台性能优于地球上所有超级计算机的量子计算机。这是我们唯一的目标。”

编译:王衍

编辑:慕一

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