為什么說光量子計算是面向未來的計算范式？

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學物理系博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

想象一下，未來某一天，我們不再依賴那些辛勤工作的電子，而是召喚出光子——光的魔法精靈，來構建光量子芯片，那將是多么神奇的景象！

光量子芯片與傳統(tǒng)計算機中的電子芯片不同，它使用光子作為信息的傳遞者。光子不僅是光的最小單位，在量子世界里，它們還有一個酷炫的名字——光量子。

圖1 光量子芯片的藝術示意圖

（圖片來源：VEER圖庫）

這些光量子芯片擁有超快的傳輸速度、幾乎不消耗能量的低能耗，以及能夠處理海量數(shù)據(jù)的大帶寬。這些特點預示著光量子芯片有潛力打破電子芯片的極限，滿足未來對計算能力爆炸性增長的需求。

一、傳統(tǒng)的計算機體系架構——馮·諾依曼計算范式

提到電腦和手機，大家肯定再熟悉不過了，它們都是我們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮佑嬎銠C。

但你可能不知道的是，目前市場上幾乎所有的電子計算機都采用了一種叫做“馮·諾依曼計算范式”的體系架構。

圖2 “馮·諾依曼計算范式”的示意圖

（圖片來源：wikipedia）

https://en.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann_architecture#/media/File:Von_Neumann_Architecture.svg

這個聽起來有點拗口的術語，其實是由20世紀40年代的匈牙利數(shù)學家和物理學家約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）提出的?，F(xiàn)在，幾乎所有的電子計算機都遵循這種體系架構，它有兩個顯著的特點：一個是“存算分開”，另一個是“順序執(zhí)行”。

讓我們用一些簡單的關鍵詞來揭開傳統(tǒng)電子計算機的神秘面紗：

首先，是大家相對熟悉的中央處理單元（CPU）和存儲器。

CPU是計算機的大腦，負責執(zhí)行計算和邏輯操作；而存儲器則像是計算機的書架，用來存放大量的數(shù)據(jù)和指令，方便隨時取用。這種CPU和存儲器分離的設計，就是我們所說的“存算分開”。

雖然這種設計讓編程變得簡單，但它也有缺點。數(shù)據(jù)和指令需要在CPU和存儲器間來回穿梭，這不僅拖慢了速度，還增加了能耗和延遲。就像在繁忙的街道上，如果車輛頻繁往返于兩個地點，交通就會變得擁堵。

接下來，是對大家來說，可能有些陌生的“串行運算”和“數(shù)據(jù)潮汐”。

“串行運算”就像排隊到收銀臺來結賬，每個人都得等到前一個人完成后才能輪到自己。在電子計算機中，每條指令也得等前一條執(zhí)行完畢才能開始。而“數(shù)據(jù)潮汐”則像是計算機版的潮漲潮落。有時候，數(shù)據(jù)和指令像潮水一樣洶涌而來，CPU忙得不可開交；有時候，CPU卻閑得發(fā)慌，等著新的數(shù)據(jù)和指令到來。不管怎樣，CPU一次只能處理一條指令，面對海量數(shù)據(jù)和指令的沖擊，它也會感到力不從心。

這種“順序執(zhí)行”的方式，對于并行處理大量任務來說，就像是單行道上的交通堵塞，難以應付。這就是為什么科學家們正在探索新的計算模式，比如前面提到的光量子芯片，它們可能會帶來革命性的改變。

二、光量子計算——面向未來的計算范式

幸運的是，光量子計算方案為我們帶來了新的希望。

它采用光子作為信息的載體，能夠充分利用光的高速、低能耗和大帶寬等獨特優(yōu)勢，有望繞開馮·諾依曼計算范式中“存算分開”和“順序執(zhí)行”的難題，從而打破傳統(tǒng)電子計算機架構的性能瓶頸。

圖3 光量子計算方案的藝術示意圖

（圖片來源：VEER圖庫）

讓我們用兩個簡潔的短語來概括光量子計算方案的核心特征：那就是“傳輸即計算”和“結構即功能”。

“傳輸即計算”意味著，在光量子計算方案中，光子在傳輸?shù)耐瑫r就能完成計算任務，無需像傳統(tǒng)計算機那樣在不同的硬件單元之間來回傳輸數(shù)據(jù)。這是因為光子在傳輸過程中始終以光速進行信息傳遞，在光量子芯片的厘米尺度上，光信號的延遲僅為納秒級別。計算可以在光子通過光學網(wǎng)絡或在光子芯片上傳輸時進行，極大地提高了運算效率。

“結構即功能”則表明光量子芯片的結構設計直接決定了它所實現(xiàn)的功能。光量子芯片使用光波導替代電子芯片中的銅導線，實現(xiàn)光子在芯片中的信息傳輸。當光子在不同的光波導中傳輸時，它們之間會產(chǎn)生光信號的干涉，科學家們可以利用這一物理現(xiàn)象來模擬線性計算等計算過程，即通過光子在傳播和相互作用中的信息變化來進行運算。

因此，通過設計不同結構的光量子芯片，科學家們可以實現(xiàn)各種功能的量子算法任務，充分發(fā)揮光子的獨特性能優(yōu)勢，有效地解決電子芯片所面臨的挑戰(zhàn)。

三、光量子芯片：人工智能的超速引擎

在人工智能的競技場中，速度是關鍵。

想象一下，如果中央處理器（CPU）只能像超市收銀臺前的隊伍一樣，一個接一個地處理任務，那效率得多慢！但幸運的是，圖像處理器（GPU）就像是擁有超能力的收銀員，能夠同時處理多個顧客，大大加快了任務處理的速度，為人工智能的發(fā)展注入了活力。

圖4 人工智能技術的藝術示意圖

（圖片來源：VEER圖庫）

說到并行運算，光量子計算就像是擁有分身術的超級英雄，能夠在瞬間處理無數(shù)任務。光子，這些以光速奔跑的粒子，它們的自由度就像是多功能的瑞士軍刀，可以同時完成多種任務。無論是不同的偏振狀態(tài)，還是不同的路徑，甚至是軌道角動量，這些特性都能被用來提升運算的并行性。

在光量子芯片的神奇世界里，科學家們就像魔術師一樣，能夠?qū)庾舆M行各種魔法般的操控。他們使用“波分復用”技術，就像指揮交通一樣，讓光子在光波導中井然有序地并行傳輸，利用路徑信息來實現(xiàn)光量子態(tài)的編碼。

更令人興奮的是，光量子芯片還能兼容現(xiàn)今主流的半導體制造工藝，這意味著制造成本更低，未來的光量子計算機可能會像家用計算機一樣普及。這不僅能夠滿足人工智能硬件的性能需求，還可能開啟一個全新的計算時代。

四、光量子計算已不只停留于方案

當我們暢想未來的計算方案時，光量子計算方案無疑是一位擁有超能力的競爭者。它不僅擁有閃電般的速度、幾乎不消耗能量的神奇能力，還有著處理海量信息的超寬帶。

想象一下，如果馮·諾依曼架構是一輛老舊的蒸汽火車，那么光量子計算方案就像是現(xiàn)代的高速磁懸浮列車，輕松突破了速度和能耗的極限。

而且，光量子計算方案的并行運算能力，就像是擁有分身術的超級英雄，能夠同時解決多個問題，這對于人工智能來說，簡直是如虎添翼。

圖5 基于光波導的光量子芯片實物圖

（圖片來源：Science）參考文獻[4]

Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics | Science

現(xiàn)在，讓我們來點小劇透：光量子芯片的研究已經(jīng)取得了令人興奮的進展！

科學家們已經(jīng)不僅僅是在實驗室里擺弄小實驗，他們已經(jīng)在用這些神奇的光子芯片創(chuàng)造出一些令人驚嘆的成果。

那么，這些光量子芯片到底能做什么呢？科學家們是如何利用它們來探索未知的量子世界的呢？保持你的好奇心，讓我們一起在接下來的文章中揭開光量子芯片的神秘面紗，探索它們?nèi)绾胃淖兾覀兊氖澜绨桑?/p>

參考文獻

[1] Von Neumann J. Von neumann architecture[J]. Online http://en. wikipedia. org/wiki/Von_Neumann_architecture, 1945, 8.

[2] 王劍威, 丁運鴻, 龔旗煌. 大規(guī)模集成光量子芯片實現(xiàn)高維度量子糾纏[J]. 物理, 2018, 47(5): 317-319.

[3] 包覺明, 陳曉炯, 丁運鴻, 等. 硅基光量子芯片上量子調(diào)控技術和量子信息應用[J]. 科學: 物理學, 力學, 天文學, 2020, 50(8): 47-51.

[4] Wang J, Paesani S, Ding Y, et al. Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics[J]. Science, 2018, 360(6386): 285-291.