模块化量子计算正面临光损耗高、转导保真度不足等核心挑战，但IBM千比特超导系统、IonQ纠缠交换及Welinq量子编译器等技术突破正加速百万比特级系统工程的实现。

多年来，量子计算企业一直在努力往芯片里塞尽可能多的量子比特，并互相比拼这方面的成效。但制造工艺和连通性方面的挑战使得堆砌量子比特的策略受到限制。目前，从业者将目光转向了连接多个量子处理器，以构建规模足够大的量子计算机，解决现实问题。

2025年1月，加拿大量子计算公司Xanadu推出了其所谓“首台模块化”的量子计算机。Xanadu的技术方案是采用光子作为量子比特，这是替代经典比特的诸多选项之一。在同月于《自然》（Nature）杂志发布的一篇论文中，该公司的研究人员概述了他们如何将35个光子芯片和13公里长的光纤连接到4个服务器机架上，从而创建一台12个量子比特的量子计算机，名为Aurora。

尽管现阶段有些量子计算机的量子比特数更多，不过Xanadu方面表示，他们的设计展示了模块化架构的所有关键组件，而模块化将使机器的量子比特数扩展至数以百万计。

如今，Xanadu并非唯一一家专注于模块化技术的公司。老牌巨头IBM和量子计算新贵IonQ都已开始着手连接各自的量子处理器，IBM计划于2025年晚些时候展示模块化设置。此外，还有几家初创公司也在开拓自己在行业内的市场，致力于开发模块化转型所需的支持技术。

Xanadu的首席执行官克里斯蒂安 · 韦德布鲁克（Christian Weedbrook）表示，虽然大多数企业早就认识到模块化是扩大规模的关键，但到目前为止，他们还是优先开发核心量子比特技术——这被视为更大的技术挑战。鉴于最大的处理器已拥有超过1000个量子比特，而实用芯片也实现在望，韦德布鲁克认为行业焦点正在转移。“要实现能真正解决客户实际问题的百万级量子比特规模，你就不能把它们全堆在一块芯片上。模块化网络是扩大规模的唯一方法。”

Xanadu采取了一种非传统的研发策略，首先关注可扩展性问题。不同于IBM和谷歌使用的超导量子比特，光量子计算方案的最大优势之一在于，这些机器与传统网络技术兼容，简化了连通性问题。然而，由于光损耗高，Aurora尚无法进行实用的运算。光子在穿过光学组件时会被吸收或散射，从而产生误差。Xanadu的目标是在未来两年内开发出更好的组件并优化架构以实现损耗最小化的目标。他们还计划于2029年开始建设量子数据中心。

据IBM自己预测，他们2025年大概也会在模块化量子计算领域取得重大进展。他们研发的一款名为Flamingo的处理器通过内置量子通信链路，将两个156个量子比特的Heron处理器互连配对。按计划，IBM将于2025年晚些时候实现多达7个Heron处理器的互连，以打造模块化的Flamingo处理器（拥有超过1000个量子比特）。

IBM计划于2025年晚些时候实现多达7个Heron处理器的互连

模块化量子计算的技术路线图

IBM量子计算实验室（IBM Quantum）的首席技术官奥利弗 · 戴尔（Oliver Dial）表示，模块化一直是IBM量子技术路线图的核心。尽管在堆积更多的量子比特方面，IBM长期处于领先地位，但芯片尺寸仍然是老生常谈的限制。戴尔表示，随着芯片尺寸不断扩大，连接控制电子设备也变得越来越具有挑战性。使用更小型、可测试且可替换的组件来构建计算机能简化制造和维护流程。

不过，IBM用的是超导量子比特——运行速度快，制造相对容易，但在网络兼容性上不如其他量子技术。这些量子比特在微波频率下运行，因此无法轻易与光通信系统对接，这迫使IBM开发专用耦合器以连接邻近芯片和更远的芯片。与此同时，IBM还在研究量子转导技术——将微波光子转换成可通过光纤传输的光频率。但戴尔表示，目前相关演示的保真度还远达不到要求，因此转导技术尚未列入IBM的官方路线图。

相较之下，基于束缚离子（或称陷俘离子）和中性原子的量子比特可直接与光子相互作用，使得光网络更具可行性。2024年10月，IonQ演示了“跨芯片”束缚离子纠缠技术：每个芯片上与离子纠缠的光子通过光纤电缆传输，在被称为“贝尔态分析仪”的装置处相遇，并形成纠缠，它们的组合状态也会被测量。这个过程使得光子最初纠缠的离子通过所谓的“纠缠交换”机制产生关联。

IonQ高级总监约翰 · 甘布尔（John Gamble）表示，要将此技术发展到能连接众多量子处理器的水平，还需完成大量工作。目前采用自由空间光学元件的贝尔态分析仪，其微型化和制造过程需利用集成光子技术。此外，光纤噪声大，这意味着通过此类通道产生的纠缠质量相对较低。为解决这一问题，IonQ计划批量生成弱纠缠的量子比特对，并通过一些操作将其提炼为少量的高质量纠缠。但要实现足够高水平的高质量纠缠率，难度依然很大。

法国初创公司Welinq正通过在互联系统中加入量子存储器来解决这个问题。公司首席执行官汤姆 · 达拉斯（Tom Darras）表示，光子互联的纠缠效率之所以低下，原因之一就在于所需的两个光子经常于不同时间点发射，因此它们会“错过”彼此而无法纠缠。加入存储器后可以创建一个有助于实现光子同步化的缓冲区。达拉斯说道：“当你需要它们相遇时，它们就会相遇。这些技术使我们能足够快速地生成纠缠态，用以支撑分布式计算。”

模块化量子计算机距离应用还有多远？

一旦成功连接了多个量子处理器，下一个挑战就是在它们之间运行量子算法。为此，Welinq还开发出一款名为araQne的量子编译器——用于决定如何在多个处理器之间划分算法，同时最大程度地缩减通信开销。

近期，牛津大学的科学家取得了这方面的突破（相关研究已于2025年2月发表于《自然》杂志），首次令人信服地演示了在两个互连处理器上运行的量子算法。他们实现了不同设备上的两个束缚离子量子比特之间的逻辑运算。量子比特借助光子链路实现纠缠，最终在处理器上执行了Grover搜索算法的一个非常基础的版本。

最后一道难题是搞清楚如何调整纠错方案以适应模块化未来。专注于创建高性能量子网络解决方案的初创公司Nu Quantum证明，分布式量子纠错不仅可行，而且高效。

Nu Quantum的首席执行官卡门 · 帕拉西奥斯-贝拉克罗（Carmen Palacios-Berraquero）表示：“这一成果意义重大，让分布式量子计算和模块化首次成为一个真正意义上的选择。”

资料来源 IEEE Spectrum