量子计算的潜在处理能力是非凡的。在一项被广泛报道的声明中，谷歌表示其 Willow 量子芯片在不到五分钟内完成了一次测试计算
a，而在领先超级计算机上则需要 10 的 25 次方年（比宇宙年龄还长）。
谷歌于 2024 年 12 月在
《自然》 杂志上描述了 Willow
b。随后在 2025 年 10 月发表另一篇
《自然》 文章
c，介绍了一种基于 Willow 的量子计算机运行一种分析分子组成的算法，其速度比当代超级计算机快 13,000 倍。
这种算法称为“量子回声”（Quantum Echoes），
d 标志着量子计算走向实用性的步伐。此类分子分析预示着在新药物开发，或在新材料制造（用于制造更优质的电池和许多其他事物）方面的进步。量子计算机的目的与其说是数据分析机器，不如说是具备超凡能力的模拟器，可以提供关于事物如何运作的深刻见解。
然而，专家称，商业量子计算机在可靠地执行分子分析之前还有许多障碍。其中之一是一些方法所需的接近绝对零度的温度，特别是谷歌和 IBM 使用的方法，两者都使用“超导”原理，而英特尔使用硅自旋方法。
在接近绝对零度（?273.15 °C）下运行需要超低温低温系统，这些系统可能耗能高且复杂，并且利用氦的稀有同位素。
一种旨在避免或尽量减少低温技术成本和复杂性的方法称为光量子计算，顾名思义，它采用光子技术。它有各种等级；其中一种使用光子作为其量子比特，而不是超导中使用的电子，或囚禁离子和中性原子计算中使用的原子。
它是零也是一
量子比特之于量子计算，如同比特之于当今计算。与传统比特具有 0 或 1 的值不同，量子比特可以同时是 0 和 1。这种叠加态——量子物理学的标志，事物可以同时处于两种状态或两个地方——在量子计算机计算能力的提升中起着巨大作用。被称为量子比特纠缠的量子特性也是如此。在量子物理学中，不一定靠近的粒子以某种方式纠缠在一起，以至于一个粒子的状态会影响另一个粒子的状态。
非光子量子比特，如谷歌 Willow 芯片上的那些，当暴露在即使是一点点热量中时，也会失去其量子状态——这种恶化被称为“退相干”或“失相”。因此，谷歌和其他公司对超低温低温技术的需求。
相比之下，光子量子比特不受热量困扰。
两家公司正在竞相开发使用光子量子比特的光量子计算机，它们分别是总部位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的 PsiQuantum 和位于加拿大多伦多的 Xanadu Quantum Technologies Inc.
“光子学有几个非常关键的独特特征，”PsiQuantum 联合创始人兼首席技术官马克·汤普森说。“可能第一点是，原则上你不需要低温技术。”
汤普森说，光子方法比其他方法更容易扩展，因为量子比特已经是光子，因此在将计算机连接在一起的典型扩展方案中的光学互连中，不需要从电子状态进行转换。
“光子学提供了一些真正的好处，”Xanadu 创始人兼首席执行官克里斯蒂安·威德布鲁克说。“它最好的地方之一是比其他方法需要更少的冷却。而且它也比其他基于光子学的方法需要更少的占地面积。”
威德布鲁克说 Xanadu 的 Aurora 光量子计算机在室温下运行。虽然其部分计算操作在正常热条件下运行，但 Aurora 至少有一个关键部分需要低温冷却：光子探测器。
一种更温暖的寒冷
PsiQuantum 也是如此。虽然其系统的部分可以在室温下运行，但光子探测器需要极端冷却。
“光子系统与超导系统之间的运行温度差异巨大，”汤普森说。“大多数你今天在超导方面看到的系统在毫开尔文温度下运行。我们目前将测试系统运行在略高于 2 开尔文 [?271.15 °C]，目标是达到 5 开尔文 [?268.15 °C] 以上。这比毫开尔文超导系统温暖约 100 倍。”
Xanadu 和 PsiQuantum 技术之间的根本区别是 Xanadu 用波制造其光子量子比特，而 PsiQuantum 使用单个光子形式的粒子。据威德布鲁克说，Xanadu 的波方法（称为“连续变量”）有助于使其具有在室温下运行的优越能力。
PsiQuantum 的粒子方法称为“离散变量”。该公司设计了一种名为 Omega 的硅光子芯片组，由位于纽约州马尔他市的 GlobalFoundries 制造。该芯片包括单光子源和单光子探测器，以及波导和光开关。源创建光子量子比特。这些光子通过波导传播到光子探测器，在那里它们失去量子状态并被检测为 1 或 0。
“光子探测器是目前必须保持寒冷的最重要组件，”汤普森说。“光量子计算机的长期目标是有一天我们可以把低温工厂扔进垃圾桶。我们唯一能做到这一点的方法是拥有一种性能足够好且能在较温暖温度下工作的光子探测器。”
与此同时，PsiQuantum 正在着手建设两个光量子计算设施，一个在澳大利亚布里斯班，另一个在芝加哥，位于前美国钢铁厂的场址。公司已经从英国的林德（Linde）订购了布里斯班设施的低温工厂，林德是两家（另一家是法国的液化空气集团）建造大规模低温系统的公司之一。汤普森说，以 2 至 4 开尔文而不是其他量子系统的毫开尔文运行的优势是，他们可以使用氦 -4 同位素，而不是超导量子计算机中使用的更难获得的氦 -3 同位素。
PsiQuantum 和 Xanadu 都目标在本十年末拥有大规模光量子计算机。鉴于光会散射，一个相当大的挑战是控制足够的可靠量子比特。
他们的工作引起了兴趣。两者都指向与工业公司的合作伙伴关系，希望利用量子计算能力运行模拟，从而推动材料和工艺的进步。例如，Xanadu 正在与汽车制造商宝马、大众和劳斯莱斯合作研发新电池。PsiQuantum 正在与空客合作研发流体动力学，与洛克希德·马丁合作研发材料和国防应用，以及与梅赛德斯 - 奔驰合作研发新电池化学成分等。
新材料
学术研究社区是推进光子量子比特技术的关键参与者。
在加州大学洛杉矶分校（UCLA），物理科学、电气与计算机工程教授普里内哈·纳兰正在模拟光量子芯片的不同设计排列。她正在检查这种芯片组成部分（如激光器、波导和探测器）的变量组合和布局，以及制造芯片的材料，选项包括钛酸钡和薄膜铌酸锂。她还在研究如何排列层和量子比特，以及如何将算法置于任何可能的排列之上。
纳兰描述了光子学的潜力。“我们收到来自数十亿光年外恒星的光；它是有效的，”她说。“但要真正用光子计算，你需要它们相互作用；否则，它们没有用。所以你需要一种非线性材料来实际发生那种相互作用。”因此，她的研究的一个领域是检查钛酸钡和薄膜铌酸锂的各种设计方式。
“使用这些材料工作的晶圆厂是大型的：GlobalFoundries、应用材料，”纳兰说。“晶圆厂能够处理这些芯片并大规模进行这一点真的很重要，因为这使得它成为一项技术。”
此外，斯坦福大学于 12 月宣布
e，由材料科学与工程教授珍妮弗·迪昂领导的团队证明二硒化钼的光可以以利于量子计算机之间有效互连的方式纠缠光子和电子，而不管量子比特是光子还是电子。
迪昂实验室的博士后学者潘峰设计了一种带有系列天线的芯片，这些天线集中光线以保持量子比特自旋的性质，而不是让其失相。斯坦福指出，该技术不仅增强了量子计算机内部的通信，而且在室温下运行。
“你如何互连量子比特？”迪昂问道。“你怎么知道这边的一个量子比特和那边的一个量子比特能真正相互通信并共享信息？你能有意义地做到这一点的唯一方法是使用光子。”
马克·哈尔珀 是一名驻扎在英格兰布里斯托尔附近的自由记者。他报道的内容从媒体大亨到亚原子粒子应有尽有。
