新架构为光子量子计算带来突破

利用光处理量子信息，是构建未来量子计算机最具前景的途径之一。被称为光子的光粒子是量子信息的出色载体，但它们缺乏自然相互作用，这给希望构建能够执行全套计算的系统的研究人员带来了重大挑战。

如今，帝国理工学院物理系的研究人员与外部合作者开发出一种名为 Clavina 的新架构，克服了这一长期存在的局限。

这项发表在《自然·光子学》上的研究展示了一个可编程平台，该平台在单一系统中结合了线性和非线性量子操作，从而扩展了使用光的量子计算机的能力。

受现代处理器启发的量子计算机

传统的光子系统通常为执行特定任务而设计。要让它们处理不同问题，往往需要对底层硬件进行大幅改动。

为应对这一挑战，研究人员从经典计算机处理器中汲取了灵感。就像现代计算机可以把用于图形、人工智能和数据处理的专用组件组合起来一样，Clavina 也能被重新配置，以执行不同类型的计算，而无需改变底层硬件。

该设计利用中央控制单元，在可编程光学网络和专用的非线性模块之间引导信息，从而无需重新设计整个系统就能添加新功能。

该研究的第一作者、帝国理工学院玛丽·居里学者Shang Yu博士表示：“我们着手构建一种光子量子处理器，使其功能较之前的设计实现一次阶跃变化。我们的新架构 Clavina 具有可扩展、模块化和可扩展的特点，可以根据我们希望执行的计算任务使用不同的功能模块。”

让Clavina接受检验

为了展示该平台的能力，研究人员将 Clavina 应用于两项复杂任务。

首先，他们用该系统模拟玻色-哈伯德模型，这是凝聚态物理中一个描述量子粒子间相互作用的著名问题。伦敦玛丽女王大学的Jinzhao Sun博士说：“我们硬件的多功能性使我们能够将非线性操作与线性操作相结合。我们利用这些操作来进行涉及多体相互作用的模拟，而这类模拟在超导量子计算机上也受到限制。”

随后，团队展示了一种生成 Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）态的更为可靠的方法，这是量子纠错的一种重要资源。这些特殊态能以某种方式编码信息，帮助保护信息免受噪声和错误的影响，这正是未来计算技术面临的核心挑战之一。

此前，光子学方法只能以概率方式生成这些态，意味着无法按需可靠地产生。而以更为一致的方式产生它们，则消除了其走向实际应用的一个重大障碍。

英国研究与创新署未来领袖学者、帝国理工学院光子量子计算项目负责人 Raj Patel 博士表示：“我们的架构能够生成奇特的量子态，如薛定谔猫态和 Gottesman-Kitaev-Preskill 态，它们是容错量子计算的宝贵资源。我们架构中的非线性操作在物理层面上提供了一组通用量子门，这是未来实现玻色子纠错码所必需的。”实际上，这意味着该系统提供了能够自行检测和纠正错误的计算机的关键构建模块。

该系统的灵活性是另一大优势。合著者、中国计量大学的Ying Dong颖说：“以往，研究人员必须针对特定任务定制光子硬件。而我们的架构能够切换不同的功能模块，使同一套硬件无需彻底改动设计就能执行多种功能。Clavina 可以解决图问题、模拟量子系统，或生成大型纠缠态以及用于纠错的资源态。”

随着量子计算系统在规模和复杂性上持续增长，类似 Clavina 的平台或许能提供一个框架，用于开发能够适应新计算挑战、而无需全新硬件设计的光子处理器。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-026-01962-8