光筑量子之路：光学技术如何赋能量子计算实用化
2025-11-23
量子计算以量子力学的三大核心原理 —— 叠加、纠缠与干涉为基础，是当今最具吸引力的技术之一。但这项技术也存在严重的认知偏差：在流行文化中，“量子” 一词常被误用，被赋予 “未来感速度” 或 “超强能力” 的隐含意味。
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量子计算无疑有望实现一场变革性的科学飞跃，且无完美的类比对象，但它本质上是一项切实可行的物理技术。在材料、能源、金融、密码学和机器学习等多个有望借助量子计算取得突破的领域，情况亦是如此。
正如 1960 年激光器发明者西奥多·哈罗德·梅曼（Theodore Harold Maiman）曾质疑第一台激光器的实用价值，如今的量子计算也正处于类似的转折点 —— 从物理实验逐步成熟为实用技术。总体而言，量子计算是一个令人望而生畏的领域。即便是在高端计算领域，利用量子现象进行计算的能力也凸显了一种全新的、名副其实的范式。
图：光学技术与元件是实现可行且实用的量子计算的核心。正是主导激光器、干涉仪和光子学的同一领域与一系列原理，为量子态的精准控制提供了可能。
图｜来源：Classiq
尽管这项技术的核心原理属于量子范畴，但支撑量子计算的基础技术却并不陌生。光学 —— 这个主导激光器、干涉仪和光子学的领域及相关原理 —— 为量子态的精准控制提供了可能。光学不仅在利用量子现象、实现微观尺度下量子态操控方面发挥着关键作用，更是量子计算机硬件与控制系统的核心。激光器、波导和光纤提供了操控量子比特（进而操控量子信息）所需的精准度与可扩展性。
当前的量子计算系统短期内不会取代经典计算。如今的量子处理器量子比特数量有限且存在噪声，还依赖于早期阶段的纠错技术。尽管学术研究领域（近年来产业界也加入其中）已取得重大进展，但量子系统在实际问题中尚未表现出超越经典系统的性能 —— 这一节点被称为 “量子效用”。
此外，当前实现量子效用面临的障碍极为严峻。保真度、可扩展性和连通性各自构成了复杂的瓶颈，这些障碍共同形成了阻碍量子计算广泛应用的巨大阻力。
而解决方案恰恰存在于支撑现有众多量子计算方案的光学方法中。在量子计算领域，光学驱动信息流传递、实现精准控制，并维持系统各部分协同运转的连接。因此，光学为实用化量子计算铺平了道路。
保真度、可扩展性与连通性：量子计算的核心工程挑战
尽管量子计算发展迅猛，但尚未产生广泛影响。这并非因为底层科学未经证实，而是由于硬件的制造与控制仍面临巨大困难。实现实用化量子计算，需要解决与保真度、可扩展性和连通性相关的工程难题 —— 这些难题都受到量子系统本身特性的严格制约。幸运的是，其中许多挑战正通过成熟的光学工具而非假想技术得到解决。
保真度：追求无误差的量子操控
保真度指量子操作在不引入误差的情况下精准执行的程度。量子比特本质上极为脆弱，即使是微小的噪声源、时序不匹配或环境干扰，都可能破坏其量子态。因此，要实现可靠计算，从门操作到测量的每一步都需要极高的精度。光学控制系统（包括稳定的激光脉冲、洁净的光束传输和精心设计的波形），在实现低误差率和维持量子态相干性所需的高精度方面发挥着关键作用。
科学家已实现超过 99.9% 的门保真度，但要在数千次连续操作中维持这一水平，目前仍难以实现。此外，对于当前的量子光子系统架构，需要先进的制造技术来缩小整体体积，同时保持量子操作的相干性和保真度 —— 这对开发大规模量子处理器至关重要。
可扩展性：突破架构与规模的限制
扩展会带来架构复杂性：量子比特阵列扩大时，必须保持稳定、同步且可读取，同时不能引入噪声或热量（这两者都会干扰系统运行）。光学系统（尤其是采用集成光子学的系统）提供了一条极具前景的路径。这类系统支持高带宽、低串扰控制，且能在系统规模扩大时依然保持精度。
在量子网络领域，量子系统的全球连通性将日益依赖光子学技术。未来的技术进步有望延长通信距离、集成量子存储器，并实现全球范围的纠缠分发。这些目标都与可扩展性需求直接相关，且各自面临独特挑战。
连通性：支撑模块化与分布式发展
随着系统规模扩大，连通性对功能实现至关重要。未来的量子计算机将从单一处理器向模块化系统和分布式网络演进，因为量子态无法通过铜线传输。
而光子擅长长距离携带量子信息 —— 它们在以光速传播的同时能抵抗退相干。光子链路支持纠缠分发、远程操作和经典连接无法实现的网络架构，同时也是量子处理器与经典计算资源之间高效数据传输的关键。
量子技术的 “命脉”：光学贯穿量子计算全栈
构建和操控量子比特的方式多种多样，每种方式都催生出不同的量子计算范式。例如，IBM 研发的超导量子计算机，依赖冷却至接近绝对零度的线圈来启动超导态；IonQ 等公司推出的囚禁离子量子计算机，则利用电磁场形成势能阱来束缚带电粒子。
从本质上看，光学技术贯穿于量子计算的每一个层面。无论采用何种量子比特范式，光学与光子学技术几乎都融入了硬件的各个环节。在芯片层面，光学技术为量子比特创造了赖以存在的环境，从光学陷阱到光子波导均是如此。此外，在控制层面，激光器和调制器以极高的空间与时间精度执行精准操作。在测量环节，光学系统用态选择光照射量子比特，并收集产生的信号。而在通信层面，光子则负责在芯片与设备之间传递量子信息。
图：光学系统与元件贯穿量子计算全栈的每一个层面，包括控制层。激光器与调制器能够以极高的空间精度和时间精度，执行精准的操作。
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图：囚禁离子量子计算系统利用电磁场束缚离子。激光冷却技术将粒子运动速度降至接近零，从而创造出精准操作所需的稳定环境。
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在光子量子系统中，光不仅是一种工具 —— 它本身就是量子比特。量子信息蕴藏在光子的偏振、相位等特性中。这类系统具备天然的可移动性和长相干时间，但需要极高的精度 —— 而这种精度只有通过全同光子、无损耗路由和高效单光子探测才能实现。
精度为王：量子计算实用化的核心基石
量子计算必须先在可靠性上取得突破，才能实现实用价值。与在噪声环境中基本稳定的经典比特不同，量子比特极为脆弱，易受温度变化、电磁干扰和时序误差的影响。若没有量子保真度作为基础，价值链上的更高层级应用都无从谈起。这一基础主要包含三个核心要素：门保真度、读出保真度和态制备 —— 换言之，即操作准确性、测量可靠性和初始化一致性。当算法需要数千次操作时，即便是微小的误差率，也会累积成无法使用的结果。而光学系统正为各类量子平台提供了所需的高精度支持。
光学在中性原子系统中的全方位赋能
光学赋能量子计算的具体方式因系统类型而异。例如 QuEra 公司研发的中性原子系统，其整个处理器都基于光构建而成。这类系统利用高度聚焦的激光束（通常以光镊的形式实现），以极高精度捕获单个原子。激光束空间强度分布产生的梯度力会形成势能阱，将原子捕获并固定在焦点处。这些陷阱不仅能助力构建无缺陷的量子比特阵列，还能通过原子的动态重排实现纠错与系统扩展。此外，由多束激光干涉形成的光晶格，会产生周期性的网格状势能，非常适合实现具有高空间控制精度的量子门。
中性原子系统的态读出过程同样依赖光学技术：激光照射后，原子会发出与量子态相关的荧光，高精度光子探测器捕获这些荧光后，就能以亚微米级精度确定原子的量子态。除荧光探测外，另一种方式是直接光子探测 —— 单光子探测器通过测量代表量子比特态的光子是否存在来实现读出。诸如 “魔波长” 光镊等先进技术，还能通过优化光与物质的相互作用、最大限度减少测量过程中的扰动，进一步提升读出保真度。
中性原子系统中的光学控制不仅限于捕获原子，还能主动驱动量子比特操作。激光脉冲可诱导原子态之间的相干跃迁，通常通过受激拉曼跃迁将原子激发至里德伯态。里德伯激发会使原子间产生强烈且可控的相互作用，而这种相互作用是实现两量子比特纠缠门的关键。这种高水平的光学控制，是构建可扩展、高保真量子处理器的核心优势之一。
囚禁离子系统：激光主导的精准操控
与此同时，囚禁离子系统利用电磁场束缚离子，其计算过程完全依赖激光控制。激光冷却技术将粒子运动速度降至接近零，创造出精准操作所需的稳定环境。离子冷却通过多普勒冷却和 / 或边带冷却等技术实现，这些技术能最大限度减少粒子的振动激发，提升相干性。在门操作中，精心设计的激光脉冲通过拉曼跃迁及其他技术驱动量子态变化 —— 这些技术依靠激光诱导的力，将离子的内部态与集体振动模式耦合，从而实现离子间的纠缠。这套方法能提供精细的操控能力，既可以对密集阵列中的单个量子比特进行精准操作，又能最大限度减少相邻量子比特间的串扰。
微波域平台：光学助力通信与同步
即便是工作在微波频段的超导和玻色子平台，也正日益集成光学技术以优化通信性能。通过电光调制器、压电谐振器等器件实现的微波 - 光转换，可将微波频段的量子比特信号转换为光频段信号。这种转换对于利用光纤进行长距离量子信息传输至关重要。此外，激光器和光学定时系统能提供高精度的时钟信号与同步机制，为超导电路间复杂操作的协同调度提供保障。
集成光子学与全系统：量子计算的规模化核心支撑
光子量子系统要求光子在频率、偏振、相位和时序上几乎完全一致。要实现这种均一性，需要从光源、光束路径到探测器的全系统层面，进行精密的光学工程设计。实时反馈回路在运行过程中维持量子性能，光学传感器持续监测系统状态，一旦出现误差便触发即时校正。这些快速干预能防止小问题升级为全系统故障。
光学与量子保真度的关联具有根本性意义。高精度光学系统并非量子计算的补充 —— 而是其功能实现的必备条件。因此，当实用化量子优势触手可及时，对光学精度的投入将决定哪些平台能够脱颖而出。
图：尽管已取得显著进展，但实用化量子计算所需的硬件在制造与控制方面仍面临巨大挑战。实现有价值的量子计算，需要解决一系列工程难题，其中最核心的是与保真度、可扩展性和连通性相关的问题。
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光子集成电路（PICs）：核心功能与优势
光子集成电路（PICs）能够稳定单光子逻辑操作。更具体地说，它可将分束器、波导、调制器等光学元件集成到单块芯片上。例如，在芯片上部署相位调制器等有源元件以动态控制光子路径，还能简化量子纠错协议的实现。分束器和干涉仪可对光子路径进行拆分、合并和 / 或干涉，进而实现与其他量子架构类似的量子门。
除了集成元件及其所支撑的紧凑、高性能架构外，量子系统中的光子集成电路还能降低损耗。先进材料与制造技术最大限度减少能量损耗，保障量子操作所需的高保真度。片上多路复用也成为可能，而同时操控多个量子比特的能力，是量子系统规模化的核心要求。
还需考虑特定的工艺优势：基于光子的量子计算受益于精准可控的光 - 物质相互作用，而参量下转换等非线性光学过程，能够产生纠缠光子对。预报光子源可按需可靠产生单光子，这些技术为稳健的量子比特初始化、操控和测量提供了便利。
集成光子学：突破量子计算的规模化瓶颈
重要的是，这些优势还能应对当前阻碍量子计算发展的核心制约。集成光子芯片将成为量子系统规模化的核心。未来的设计有望通过集成多层波导实现三维光子架构，从而提高量子比特密度 —— 这将大幅增加单块芯片可操控的量子比特数量。这些芯片还将为亚波长图案化等先进精密制造方法提供应用路径，以最大限度减少光学损耗、提升元件效率。最终，它们将推动量子计算向混合集成方向转型：光子芯片与超导、囚禁离子等其他量子平台的无缝对接，将确保完整系统能够充分利用各类互补量子技术的优势。
迈入计算主战场：量子与高性能计算的融合之路
量子计算的发展机遇，与更为成熟的高性能计算（HPC）架构相伴相生。将量子计算的优势与高性能计算相结合，构建混合量子 - 经典系统，提供了多条极具前景的发展路径。高带宽光学互连技术可实现量子处理器与经典计算资源间的高效数据传输；开发协同设计算法以优化量子与经典平台的资源利用，将借助光学元件搭建起二者的沟通桥梁；而设计能同时处理经典与量子信息的数据总线，则会提升整个系统的通用性。
量子计算这一新兴领域与高性能计算系统的协同发展，具有内在且互补的优势。业界厂商在量子计算集成光子学领域不断突破，其解决方案与硅光子学的早期创新（如集成调制器、分束器以及先进制造技术）相辅相成。
例如，法国企业 Alice & Bob 正在研发将微环谐振器、马赫 - 曾德尔干涉仪和高速相位调制器集成于单块芯片的解决方案。这种方式能最大限度减少光学损耗、提升稳定性，并实现稳健的片上量子干涉与纠缠 —— 这些都是迈向可扩展光子量子处理器的关键步骤。
此外， xanadu 、PsiQuantum 等量子光学计算公司，正将量子模拟与优化技术应用于集成光子芯片的设计。通过精准建模复杂电路架构中的光传播过程，这些公司已开发出能改进制造工艺、降低损耗并提升器件整体性能的方法。这些因素对于推动量子与经典光学应用的发展都至关重要。
量子计算与光学：未来图景
随着新兴技术驱动下一代系统发展，光学与量子计算的协同效应将持续增强。除集成光子芯片及高性能计算（HPC）与量子架构的协同集成外，多项关键趋势也将塑造该领域的未来。例如，稳健的纠错方法 —— 对可靠量子计算和光学方案而言至关重要 —— 有望在未来方案中发挥核心作用。通过在高维空间中编码光子量子比特实现高效编码，能更紧凑地表示逻辑量子比特，减少纠错协议中的冗余。此外，部署先进的光学反馈系统进行快速误差检测与校正，将有助于在系统规模扩大时依然维持计算稳定性。
同时，量子系统的全球连通性将日益依赖光子学技术。一项预期的技术进步旨在利用基于纠缠光子对的量子中继器，延长安全量子通信的传输距离。将量子存储器集成到光子网络中，将实现量子态的有效存储与同步。追求全球范围的纠缠分发，为自由空间光学技术实现远距离纠缠传输提供了巨大机遇。这些并非孤立的研究进展，而是为量子未来搭建的基础设施。正如光纤网络逐步发展成为全球电信的支柱，光学技术正为量子系统突破研究范畴、实现规模化应用奠定基础。
正如光子学曾将激光器从实验室里的新奇装置，转变为现代技术的核心支柱，如今它正为量子计算迈向实际应用铺平道路。从科学探索到核心技术的转变并非一蹴而就，它需要基础设施、标准规范与精准技术的支撑。而在量子计算领域，这一基石正是由光构筑而成。
作者简介
Erik Garcell博士，现任 Classiq Technologies 公司北美区量子企业发展总监，该公司为量子软件研发企业。他曾担任IP.com公司创新产品经理、Kodak Alaris 公司创新研究科学家；电子邮箱：erik@classiq.io。
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