如果計算機的運算速度能像光速一樣快，那將會是怎樣一番景象？近日，加拿大Xanadu公司取得一項重大突破，研製出了世界上首臺可擴充套件的光子量子計算機原型機——“Aurora”，朝著光速計算的未來邁出重要一步。
傳統計算機的瓶頸：電子的“速度限制”
我們現在使用的計算機，無論是手機、電腦還是超級計算機，都依賴於電子在電路中流動來進行計算。然而，電子的運動速度是有限的，這就像高速公路上行駛的汽車，即使再快也無法突破物理規則的限制。這種“速度限制”成為了傳統計算機進一步發展的瓶頸。
光子的登場：速度之王
有沒有比電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30萬公里的速度傳播，是宇宙中的“速度之王”。如果能用光子來代替電子進行計算，計算機的運算速度將會發生質的飛躍。
光子計算的挑戰：如何駕馭光？
然而，光子不帶電荷，難以像電子一樣在傳統的電子電路中被控制和儲存。這就好比想用水來驅動汽車，雖然水力強大，但如何設計發動機和傳動系統卻是一個巨大的難題。科學家們一直在努力尋找駕馭光子的方法，而光子量子計算機正是這一探索的重要方向。
“Aurora”的誕生：光子計算的里程碑
加拿大這家名為Xanadu的公司取得了突破性進展，他們研製出了名為“Aurora”的光子量子計算機原型機。這臺機器不再是停留在紙面上的概念，而是真正可以執行的實體。它利用光子進行量子計算，有望突破傳統計算機的瓶頸。
“Aurora”的構造：模組化與網路化
“Aurora”由多個模組組成，這些模組透過光纖網路連線在一起，形成一個強大的計算系統。這種模組化設計使得“Aurora”可以像搭積木一樣進行擴充套件，透過增加更多的模組來提升計算能力。
光源模組： 負責產生用於量子計算的光子。
精煉模組： 負責提高光子的質量，並讓它們相互“糾纏”在一起。
量子處理單元（QPU）： 負責執行實際的量子計算。
光纖網路： 負責連線各個模組，傳遞光子資訊。
整個系統安裝在四個標準的伺服器機架中，就像一個小型的資料中心，長高約2米，深度可能在2.4-4米之間（不包括稀釋製冷機）。
“Aurora”的實驗：創造“量子糾纏”
科學家們利用“Aurora”進行了一系列實驗，其中一項重要的實驗是創造了一種名為“量子糾纏”的奇特現象。簡單來說，量子糾纏是指兩個或多個粒子之間存在著一種神秘的聯絡，即使它們在空間上分離很遠，也會相互影響。利用量子糾纏，量子計算機可以實現一些傳統計算機無法完成的任務。
“Aurora”的意義：通往未來的鑰匙
“Aurora”的誕生是光子量子計算領域的一個重要里程碑，它證明了利用光子進行大規模量子計算是可行的。雖然“Aurora”還處於原型階段，面臨著一些技術挑戰，例如如何進一步降低光子在傳輸過程中的損耗，但它已經為我們開啟了一扇通往未來的大門。
低溫的奧秘：為了更精確的測量
在“Aurora”中，有一個特殊的裝置需要在極低的溫度下工作，那就是用於測量光子數量的檢測器。這些檢測器非常靈敏，需要極低的溫度來減少干擾，就像在安靜的房間裡才能聽到微弱的聲音一樣。為了達到所需的低溫，科學家們使用了特殊的製冷裝置——稀釋製冷機，溫度低至接近絕對零度的12mK。
看來光量子計算機仍然無法擺脫超導量子計算機和離子阱量子計算機的稀釋製冷機啊。
展望未來：光速計算的時代即將到來？
隨著技術的不斷進步，我們有理由相信，光子量子計算機將在未來發揮越來越重要的作用。它們將能夠解決一些目前無法解決的科學難題，例如新藥研發、材料設計、人工智慧等。或許在不久的將來，我們就能迎來光速計算的時代。
參考文獻：
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
