为什么说光量子计算是面向未来的计算范式？

出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系博士）

监制：中国科普博览

想象一下，未来某一天，我们不再依赖那些辛勤工作的电子，而是召唤出光子——光的魔法精灵，来构建光量子芯片，那将是多么神奇的景象！

光量子芯片与传统计算机中的电子芯片不同，它使用光子作为信息的传递者。光子不仅是光的最小单位，在量子世界里，它们还有一个酷炫的名字——光量子。

图1 光量子芯片的艺术示意图

（图片来源：VEER图库）

这些光量子芯片拥有超快的传输速度、几乎不消耗能量的低能耗，以及能够处理海量数据的大带宽。这些特点预示着光量子芯片有潜力打破电子芯片的极限，满足未来对计算能力爆炸性增长的需求。

一、传统的计算机体系架构——冯·诺依曼计算范式

提到电脑和手机，大家肯定再熟悉不过了，它们都是我们日常生活中的电子计算机。

但你可能不知道的是，目前市场上几乎所有的电子计算机都采用了一种叫做“冯·诺依曼计算范式”的体系架构。

图2 “冯·诺依曼计算范式”的示意图

（图片来源：wikipedia）

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

这个听起来有点拗口的术语，其实是由20世纪40年代的匈牙利数学家和物理学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）提出的。现在，几乎所有的电子计算机都遵循这种体系架构，它有两个显著的特点：一个是“存算分开”，另一个是“顺序执行”。

让我们用一些简单的关键词来揭开传统电子计算机的神秘面纱：

首先，是大家相对熟悉的中央处理单元（CPU）和存储器。

CPU是计算机的大脑，负责执行计算和逻辑操作；而存储器则像是计算机的书架，用来存放大量的数据和指令，方便随时取用。这种CPU和存储器分离的设计，就是我们所说的“存算分开”。

虽然这种设计让编程变得简单，但它也有缺点。数据和指令需要在CPU和存储器间来回穿梭，这不仅拖慢了速度，还增加了能耗和延迟。就像在繁忙的街道上，如果车辆频繁往返于两个地点，交通就会变得拥堵。

接下来，是对大家来说，可能有些陌生的“串行运算”和“数据潮汐”。

“串行运算”就像排队到收银台来结账，每个人都得等到前一个人完成后才能轮到自己。在电子计算机中，每条指令也得等前一条执行完毕才能开始。而“数据潮汐”则像是计算机版的潮涨潮落。有时候，数据和指令像潮水一样汹涌而来，CPU忙得不可开交；有时候，CPU却闲得发慌，等着新的数据和指令到来。不管怎样，CPU一次只能处理一条指令，面对海量数据和指令的冲击，它也会感到力不从心。

这种“顺序执行”的方式，对于并行处理大量任务来说，就像是单行道上的交通堵塞，难以应付。这就是为什么科学家们正在探索新的计算模式，比如前面提到的光量子芯片，它们可能会带来革命性的改变。

二、光量子计算——面向未来的计算范式

幸运的是，光量子计算方案为我们带来了新的希望。

它采用光子作为信息的载体，能够充分利用光的高速、低能耗和大带宽等独特优势，有望绕开冯·诺依曼计算范式中“存算分开”和“顺序执行”的难题，从而打破传统电子计算机架构的性能瓶颈。

图3 光量子计算方案的艺术示意图

（图片来源：VEER图库）

让我们用两个简洁的短语来概括光量子计算方案的核心特征：那就是“传输即计算”和“结构即功能”。

“传输即计算”意味着，在光量子计算方案中，光子在传输的同时就能完成计算任务，无需像传统计算机那样在不同的硬件单元之间来回传输数据。这是因为光子在传输过程中始终以光速进行信息传递，在光量子芯片的厘米尺度上，光信号的延迟仅为纳秒级别。计算可以在光子通过光学网络或在光子芯片上传输时进行，极大地提高了运算效率。

“结构即功能”则表明光量子芯片的结构设计直接决定了它所实现的功能。光量子芯片使用光波导替代电子芯片中的铜导线，实现光子在芯片中的信息传输。当光子在不同的光波导中传输时，它们之间会产生光信号的干涉，科学家们可以利用这一物理现象来模拟线性计算等计算过程，即通过光子在传播和相互作用中的信息变化来进行运算。

因此，通过设计不同结构的光量子芯片，科学家们可以实现各种功能的量子算法任务，充分发挥光子的独特性能优势，有效地解决电子芯片所面临的挑战。

三、光量子芯片：人工智能的超速引擎

在人工智能的竞技场中，速度是关键。

想象一下，如果中央处理器（CPU）只能像超市收银台前的队伍一样，一个接一个地处理任务，那效率得多慢！但幸运的是，图像处理器（GPU）就像是拥有超能力的收银员，能够同时处理多个顾客，大大加快了任务处理的速度，为人工智能的发展注入了活力。

图4 人工智能技术的艺术示意图

（图片来源：VEER图库）

说到并行运算，光量子计算就像是拥有分身术的超级英雄，能够在瞬间处理无数任务。光子，这些以光速奔跑的粒子，它们的自由度就像是多功能的瑞士军刀，可以同时完成多种任务。无论是不同的偏振状态，还是不同的路径，甚至是轨道角动量，这些特性都能被用来提升运算的并行性。

在光量子芯片的神奇世界里，科学家们就像魔术师一样，能够对光子进行各种魔法般的操控。他们使用“波分复用”技术，就像指挥交通一样，让光子在光波导中井然有序地并行传输，利用路径信息来实现光量子态的编码。

更令人兴奋的是，光量子芯片还能兼容现今主流的半导体制造工艺，这意味着制造成本更低，未来的光量子计算机可能会像家用计算机一样普及。这不仅能够满足人工智能硬件的性能需求，还可能开启一个全新的计算时代。

四、光量子计算已不只停留于方案

当我们畅想未来的计算方案时，光量子计算方案无疑是一位拥有超能力的竞争者。它不仅拥有闪电般的速度、几乎不消耗能量的神奇能力，还有着处理海量信息的超宽带。

想象一下，如果冯·诺依曼架构是一辆老旧的蒸汽火车，那么光量子计算方案就像是现代的高速磁悬浮列车，轻松突破了速度和能耗的极限。

而且，光量子计算方案的并行运算能力，就像是拥有分身术的超级英雄，能够同时解决多个问题，这对于人工智能来说，简直是如虎添翼。

图5 基于光波导的光量子芯片实物图

（图片来源：Science）参考文献[4]

Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics | Science

现在，让我们来点小剧透：光量子芯片的研究已经取得了令人兴奋的进展！

科学家们已经不仅仅是在实验室里摆弄小实验，他们已经在用这些神奇的光子芯片创造出一些令人惊叹的成果。

那么，这些光量子芯片到底能做什么呢？科学家们是如何利用它们来探索未知的量子世界的呢？保持你的好奇心，让我们一起在接下来的文章中揭开光量子芯片的神秘面纱，探索它们如何改变我们的世界吧！

参考文献

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

[2] 王剑威, 丁运鸿, 龚旗煌. 大规模集成光量子芯片实现高维度量子纠缠[J]. 物理, 2018, 47(5): 317-319.

[3] 包觉明, 陈晓炯, 丁运鸿, 等. 硅基光量子芯片上量子调控技术和量子信息应用[J]. 科学: 物理学, 力学, 天文学, 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.