如果计算机的运算速度能像光速一样快，那将会是怎样一番景象？近日，加拿大Xanadu公司取得一项重大突破，研制出了世界上首台可扩展的光子量子计算机原型机——“Aurora”，朝着光速计算的未来迈出重要一步。
传统计算机的瓶颈：电子的“速度限制”
我们现在使用的计算机，无论是手机、电脑还是超级计算机，都依赖于电子在电路中流动来进行计算。然而，电子的运动速度是有限的，这就像高速公路上行驶的汽车，即使再快也无法突破物理规则的限制。这种“速度限制”成为了传统计算机进一步发展的瓶颈。
光子的登场：速度之王
有没有比电子速度更快的粒子呢？答案是肯定的，那就是光子——光的基本粒子。光子以每秒30万公里的速度传播，是宇宙中的“速度之王”。如果能用光子来代替电子进行计算，计算机的运算速度将会发生质的飞跃。
光子计算的挑战：如何驾驭光？
然而，光子不带电荷，难以像电子一样在传统的电子电路中被控制和存储。这就好比想用水来驱动汽车，虽然水力强大，但如何设计发动机和传动系统却是一个巨大的难题。科学家们一直在努力寻找驾驭光子的方法，而光子量子计算机正是这一探索的重要方向。
“Aurora”的诞生：光子计算的里程碑
加拿大这家名为Xanadu的公司取得了突破性进展，他们研制出了名为“Aurora”的光子量子计算机原型机。这台机器不再是停留在纸面上的概念，而是真正可以运行的实体。它利用光子进行量子计算，有望突破传统计算机的瓶颈。
“Aurora”的构造：模块化与网络化
“Aurora”由多个模块组成，这些模块通过光纤网络连接在一起，形成一个强大的计算系统。这种模块化设计使得“Aurora”可以像搭积木一样进行扩展，通过增加更多的模块来提升计算能力。
光源模块： 负责产生用于量子计算的光子。
精炼模块： 负责提高光子的质量，并让它们相互“纠缠”在一起。
量子处理单元（QPU）： 负责执行实际的量子计算。
光纤网络： 负责连接各个模块，传递光子信息。
整个系统安装在四个标准的服务器机架中，就像一个小型的数据中心，长高约2米，深度可能在2.4-4米之间（不包括稀释制冷机）。
“Aurora”的实验：创造“量子纠缠”
科学家们利用“Aurora”进行了一系列实验，其中一项重要的实验是创造了一种名为“量子纠缠”的奇特现象。简单来说，量子纠缠是指两个或多个粒子之间存在着一种神秘的联系，即使它们在空间上分离很远，也会相互影响。利用量子纠缠，量子计算机可以实现一些传统计算机无法完成的任务。
“Aurora”的意义：通往未来的钥匙
“Aurora”的诞生是光子量子计算领域的一个重要里程碑，它证明了利用光子进行大规模量子计算是可行的。虽然“Aurora”还处于原型阶段，面临着一些技术挑战，例如如何进一步降低光子在传输过程中的损耗，但它已经为我们打开了一扇通往未来的大门。
低温的奥秘：为了更精确的测量
在“Aurora”中，有一个特殊的装置需要在极低的温度下工作，那就是用于测量光子数量的检测器。这些检测器非常灵敏，需要极低的温度来减少干扰，就像在安静的房间里才能听到微弱的声音一样。为了达到所需的低温，科学家们使用了特殊的制冷设备——稀释制冷机，温度低至接近绝对零度的12mK。
看来光量子计算机仍然无法摆脱超导量子计算机和离子阱量子计算机的稀释制冷机啊。
展望未来：光速计算的时代即将到来？
随着技术的不断进步，我们有理由相信，光子量子计算机将在未来发挥越来越重要的作用。它们将能够解决一些目前无法解决的科学难题，例如新药研发、材料设计、人工智能等。或许在不久的将来，我们就能迎来光速计算的时代。
参考文献：
Aghaee Rad, H., Ainsworth, T., Alexander, R.N. et al. Scaling and networking a modular photonic quantum computer. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08406-9
