跳转至

光量子计算机 L1 基础设施总览（2026 版）

0. 时间阶段与层级定位（“层”与“新”）

时间与产业阶段

  • 时间窗口：基于 2024–2026 年已公开的技术资料与产业进展。
  • 行业所处阶段：
  • 光量子计算已从“实验室演示 + 小规模芯片”进入到：
    • 可在机架级系统中部署的模块化原型（如 Xanadu Aurora）[2][10]；
    • 面向百万量级逻辑比特的可制造光子芯片平台（PsiQuantum Omega/硅光子平台）[1][6][10]。
  • 目标：在 2027 左右实现**容错或“实用规模”光量子计算**（PsiQuantum、Xanadu 公开路线图）[1][10]。

在七层架构中的定位

  • 本文只覆盖 L1 基础设施与环境层，对应于你架构文档中的“基础设施与环境层”：
  • 向下（面向 L2 量子物理层）：
    • 为光子量子比特提供：
    • 集成光子芯片与光路（波导、干涉器、耦合器）；
    • 单光子或压缩态光源；
    • 单光子探测器（超导/SNSPD 或室温 SPAD）；
    • 必要的冷却与机械稳定环境。
  • 向上（面向 L3 控制与互连层）：
    • 提供：
    • 可寻址的光学 I/O 端口（光纤/波导接口）；
    • 芯片级、机架级和数据中心级的光学互连网络；
    • 与经典控制电子学（FPGA/DAC/ADC）的物理承载与布线通道。

一句话定位：光量子 L1 = “让光子在可制造的芯片与网络中可靠生成、路由、测量，并与经典电子、机架和数据中心基础设施对接的那一层”。

1. 物理路线限定与对比（“线”）

1.1 物理路线限定

  • 本文仅讨论 光子/光量子（Photonic）路线：
  • 比特载体：光子，编码在：
    • 双轨（dual-rail）路径（两条平行波导）；
    • 偏振、时间 bin、频率、空间模式等自由度[10]。
  • 代表厂商/项目：
    • PsiQuantum（Omega 光子芯片）[1][6][10]；
    • Xanadu（Borealis、Aurora）[2][10]；
    • QuiX Quantum、Quandela 等（集成光子处理器与单光子源）；
    • 多个高校/研究所的硅光子/混合集成平台[6]。

1.2 与其它物理路线在 L1 的关键差异

维度 光子（本条） 超导 离子阱
工作温度 大部分光学电路在室温；部分探测器需 2–4 K 整机在 10–20 mK，需要稀释制冷机[原文] 离子在 UHV；通常室温或 4 K 真空腔[原文]
主要基础设施焦点 低损耗光子芯片 + 光纤互连 + 探测器冷却 极低温制冷 + 微波布线 + 磁/振动隔离 UHV 真空 + 电极/光学系统 + 精密振动隔离
互连拓扑 光纤/波导天然长距离互联，易模块化和网络化[10] 芯片内近邻耦合为主 阱内近似全连通，小规模网络化可通过光子链路
能耗侧重点 探测器冷却和激光/电子机架为主；无大功率稀释制冷 稀释制冷机可达 10–25 kW 级别[原文][8] 真空泵 + 激光 + 控制电子，功耗中等

2. L1 核心组件与物理架构（“层”）

2.1 集成光子芯片平台（以 PsiQuantum Omega / Nature 平台为代表）

制造与材料栈[1][6]

  • 制造：商用 300 mm CMOS 硅光子产线（GlobalFoundries）。
  • 栈结构示意：
  • Si/SiO₂ 绝缘层上的 硅或硅氮化物（SiN）波导（低损耗传输）；
  • NbN 超导层：集成波导型 SNSPD 单光子探测器；
  • BaTiO₃（BTO）电光材料：高速低损耗相位调制/光开关；
  • 金属互连与加热器：热光相位调制、微波供能与封装。

芯片上模块[6]

  • 单光子源：
  • 采用片上共振腔（环形谐振器）+ 四波混频（SFWM）；
  • 光子对谱纯度 ≈ 99.5%±0.1%，级联谐振设计上限约 99.35%[6]。
  • 滤波与选通：
  • 片上干涉滤波器 + 泵浦抑制网络；
  • 泵浦抑制约 99.1±1.2 dB，信号/先导通路损耗约 1 dB[6]。
  • 干涉与重构：
  • Mach–Zehnder 干涉器、耦合器、交叉、环形谐振器；
  • 热光相位调制器实现可重构线性光学网络。
  • 探测器（SNSPD）：
  • NbN 波导集成型，典型长度 ≥80 μm；
  • 片上探测效率 均值约 88.9%±3.5%，中位数约 93.4%[6]。
  • 光–光互联：
  • 片–片量子互联：通过标准电信波段光纤（C 波段），演示 42 m 光纤连接下的芯片间保真度 ≈99.72%±0.04%[6]。

关键性能指标（Omega/Nature 平台）[1][6]

  • 单比特 SPAM 保真度：99.98%±0.01%。
  • 芯片上 Hong–Ou–Mandel（HOM）双光子干涉可见度：99.50%±0.25%。
  • 两比特融合门（Bell 测量）保真度：99.22%±0.12%。
  • 芯片–芯片 Pauli 传输保真度：99.72%±0.04%。
  • 波导与器件损耗：
  • 单模 SiN 波导损耗 ≈ 1.8±0.2 dB/m；
  • 多模 SiN 波导损耗 ≈ 0.5±0.3 dB/m；
  • 波导交叉损耗 ≈ 1.2±0.4 mdB；
  • 分束器损耗 ≈ 0.5±0.2 mdB[6]。
  • 边缘耦合（光纤–芯片）：
  • SMF‑28 耦合损耗 ≈ 127±18 mdB；
  • UHNA4 耦合损耗 ≈ 52±12 mdB[6]。
  • 电光（BTO）开关：
  • Vπ·L ≈ 0.62 V·cm；
  • 插入损耗 ≈ 100 mdB；
  • 损耗–电压乘积 αVπL ≈ 0.33±0.02 dB·V[6]。

这一平台本质上把“光源+干涉网络+探测器+互联”全部集成到一片大规模可制造的光子芯片上，为百万物理/逻辑比特级光量子机的 L1 基础设施给出一个**硅光子范式**。

2.2 机架级模块化系统（以 Xanadu Aurora 为代表）

物理形态与规模[2][10]

  • 系统：Aurora 通用光子量子计算机；
  • 形态：4 个独立服务器机架，通过光子互联网络连接；
  • 硬件统计：
  • 35 片光子芯片；
  • 13 km 光纤 互连；
  • 室温运行（主光学与芯片部分，不含低温探测器）[2][10]。

架构特征[2][10]

  • 模块化：每个机架内部包含若干光子芯片与光纤延迟线，支持：
  • 大规模簇态/集群态生成；
  • 逻辑门执行与实时误差校正；
  • 编码与资源态：
  • 使用**压缩态光场 + GKP 编码**作为容错资源；
  • 通过高维 Gaussian Boson Sampling（GBS）生成复杂纠缠资源态；
  • 利用光纤延迟线构建**三维时域簇态**，实现测量驱动的容错 MBQC[10]。
  • 网络能力：
  • 机架之间通过光纤网络连接，可在原理上扩展到**成千上万机架、百万比特**级别[2][10]。

从 L1 视角看，Aurora 代表了一种“机架级光量子机房节点”：光子芯片、光纤、延迟线、机柜与部分低温探测模块构成了以光为核心的数据中心基础设施。

2.3 光源与单光子/压缩态生成子系统

单光子与对光子源（片上 SFWM）[1][6]

  • 采用片上高 Q 环形谐振器 + 四波混频：
  • 光子对谱纯度：约 99.5%±0.1%；
  • 共振移位 ±400 pm 范围内，两源可区分度依旧 >99%[6]。
  • 与高 CAR（Coincidence-to-Accidentals Ratio，最高 ~3000）联合，提供适用于大规模 MBQC 的高质量单光子源[6]。

量子点与确定性光源[10]

  • 多家团队与公司（如 Quandela、Aegiq 等）开发**量子点单光子源**：
  • 目标：从本质上消除基于 SPDC/SFWM 的概率性；
  • 特征：在集成光子芯片上耦合量子点，实现时序确定的近乎完全相干单光子发射，为高效多路复用与容错架构提供支撑[10][6]。

压缩态光源（Continuous-Variable / CV 路线）[10]

  • Xanadu 路线利用**压缩态**代替单光子：
  • 用于 Gaussian Boson Sampling（Borealis, 216 模模式，36 μs 运行 vs 经典 ~9000 年）[10]；
  • 为 GKP 编码提供资源态，形成 CV+DV 混合容错架构。

2.4 探测器与读出基础设施

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）[6][3]

  • 特点：
  • 探测效率常见 >90%，Omega 片上中位值 93.4%；
  • ps 级时间抖动，极低暗计数；
  • 需要约 2–4 K 的低温环境（小型或机架级冷却模块）[6][3][2]。
  • L1 影响：
  • 虽然大部分光学电路可在室温，但高性能光子探测仍需**独立的低温模块**；
  • 出现了**“立方体冷却模块 + 机架集成”**模式：不再是大体积分稀释制冷机，而是数据中心友好的 2–4 K Cryostat 模块[1][6]。

室温 SPAD / Quspads[3]

  • VTEC 的 Quspad：
  • 基于 InP 的单光子雪崩探测器（SPAD），室温工作；
  • 目标：在保持高效率和低暗计数的前提下降低：
    • 成本 ~10×；
    • 体积 ~30×；
    • 功耗 ~10×[3]。
  • L1 意义：
  • 若室温高性能 SPAD 成熟，将显著简化光量子 L1 的冷却与布线需求，使整个系统更接近“普通光通信 + 数据中心”形态。

2.5 光学互连与波导网络基础设施

片上波导与交叉/分束[6][5]

  • SiN 波导：
  • 单模损耗：1.8±0.2 dB/m；
  • 多模损耗：0.5±0.3 dB/m。
  • 被动器件：
  • 交叉：1.2±0.4 mdB；
  • 分束器：0.5±0.2 mdB。
  • 这类超低损耗参数是大规模簇态、长深度光路的**必要前提**。

光纤–芯片耦合与封装[6][4]

  • 边缘耦合器：
  • 标准 SMF‑28 光纤损耗 ≈ 0.127 dB；
  • 高数值孔径 UHNA4 光纤损耗 ≈ 0.052 dB。
  • MicroAlign 技术：
  • 通过**主动对准**实现 100 nm 光纤芯位置精度，24 通道阵列[4]；
  • 相比传统 V-groove（~0.5 μm 精度）显著提升，为大通道数低损耗连接打基础。

机架级光学布线

  • Xanadu Aurora：4 个机架之间通过 13 km 电信光纤 编织成光子网络[2][10]。
  • 光量子 L1 因此天然具备：
  • 高带宽、低延迟的模块间量子/经典互联；
  • 与现有数据中心光互连技术高度兼容的物理接口。

2.6 控制电子学与接口（L1–L3 之间的“桥”）

虽然控制逻辑属于 L3，但承载它们的**物理硬件与布线**是 L1 的一部分。

片上电子–光子共集成[11][6]

  • Northwestern/BU/UC Berkeley 实现的首个**商业产线制造的电子–光子量子芯片**：
  • 在 1 mm×1 mm CMOS 芯片上集成：
    • 量子光源（光子对）；
    • 光传感器与**片上加热器**；
    • 电子控制环路，实现对光源的**实时自动稳定**[11]。
  • 含义：
  • L1 可以将“控制电子”与“光量子片上系统”强耦合在同一 CMOS 芯片中，大幅降低外部机架与长距离模拟线路的复杂度。

机架与 FPGA/DAC/ADC 电子系统

  • 典型现状：
  • 使用高速 AWG/DAC/FPGA 生成 EOM 驱动信号；
  • 将量子程序编译为激光/调制脉冲序列，通过高速电缆和接插件进入 L1 光学模块[10][6]。
  • L1 要求：
  • 提供足够密度与带宽的电子–光学接口（连接模块数量、通道数）；
  • 在高功耗电子机柜与（可能）低温探测器模块之间建立良好的**热隔离与机械稳定**。

2.7 冷却与封装基础设施

探测器与低温模块[1][6][2]

  • 探测器 SNSPD 工作在约 2 K；
  • Omega/Nature 系统 Cryostat：
  • 基座温度 ~2 K；
  • 冷却功率 ~20 W；
  • 可挂载 100+ 光纤通道和 1000+ 电连接[6]。
  • 冷却形态：
  • 立方体/机柜式冷却模块，而非吊挂式稀释制冷机“吊灯”结构[1][2]；
  • 与数据中心基础设施（如大型冷冻机、低温工厂）对接。

整机封装与机架

  • PsiQuantum：规划在布里斯班和芝加哥建立 两座“量子计算中心”，本质上是**光量子机房**[1][10]。
  • Xanadu/ORCA：机架级（rack-mounted）系统，可部署于常规机房环境[2][10]。
  • L1 要负责：
  • 光子芯片、探测器模块、电源/水冷/风冷系统、光纤管理托架的**结构与布线设计**；
  • 满足振动控制、电磁兼容及长期稳定性的要求。

3. 层间接口与依赖关系（“桥”）

3.1 L1 → L2：对物理层（光子比特）的交付

  • 交付内容：
  • 稳定的单（或多）光子/压缩态流；
  • 高保真度干涉网络（低损耗波导与干涉器，>50 dB 干涉消光比[6]）；
  • 高效率探测器（>90%）；
  • 网络化的光子互联通道（片上及芯片间）；
  • 必要的冷却和机械/热稳定环境。
  • 约束：
  • L2 设计（如 MBQC 或 Fock/GKP 编码）需要明确 L1 的：
    • 损耗阈值（如 FBQC 容错方案可容忍约 10% 总光损耗[6]）；
    • 噪声模型（多光子概率、暗计数、模式不匹配）。

3.2 L1 → L3：对控制与互连层的接口

  • 上行接口形式：
  • 经典控制：FPGA/DAC 对应的电光调制输入端口（高速射频端口）；
  • 量子测量：SNSPD/SPAD 的数字化输出，经 L3 汇聚解码；
  • 网络：光纤/波导接口，L3 把“逻辑互联拓扑”映射为 L1 光路切换（BTO 开关、光纤路由）。
  • 依赖：
  • L3 编译/路由器需要知道：
    • L1 的开关损耗与开关速度；
    • 芯片/机架间链路损耗与时延；
    • 当前探测器与光源的状态（由 L1+固件层反馈）。

4. 性能指标与“可用性边界”（“用”）

光子 L1 的关键指标直接决定了**上层能跑多大问题、是否可容错**。

4.1 器件级指标 → 容错与规模

  • 源：
  • 谱纯度 ≈ 99.5%；
  • 对源可区分度 >99%；
    → 支撑高可见度双光子干涉与高保真度融合门[6]。
  • 干涉与门：
  • HOM 可见度 ≈ 99.5%；
  • 两比特融合保真度 ≈ 99.2%；
  • 芯片间通道保真度 ≈ 99.7%[6][1]。
  • 探测：
  • SNSPD 片上效率 ~90–93%；
  • 室温 Quspad 目标：在类似效率下 10× 降低功耗与成本[3]。

这些指标处于许多光子容错架构（如基于融合的表面码、GKP+线性光学）的**可行区间**，尽管尚需进一步降低整体损耗与系统性误差。

4.2 系统级指标 → 支持的应用

  • Xanadu Borealis：216 模 GBS，在 36 μs 内完成样本生成，相当于经典约 9000 年[10]；
  • Aurora：在单个时钟周期内生成 12 比特资源态并进行实时误差校正演示[2][10]；
  • 光子平台在一些机器学习任务上已经展示：
  • 小规模 photonic QML 方案在某些分类任务上**精度与能耗优于经典基线**[8]；
  • 光子平台可显著降低某些 ML 任务的能耗[8]。

从 L1 角度看，这说明当前光子基础设施已经可以支撑：

  • 若干百–千模规模的量子模拟/采样任务；
  • 小规模误差抑制与原型纠错实验；
  • 部分混合量子–经典机器学习任务。

5. 与其它路线的综合对比（“线”）

从 L1 基础设施视角，对比最关键的三点：

  1. 温度与能耗
  2. 光子：主光路室温，探测器 2–4K，整体功耗主要来自激光源与控制电子，避免了稀释制冷的几十 kW 级负担；
  3. 超导：10–20 mK 制冷本身就可达 10–25 kW[8]；

  4. 离子阱：无毫开尔文制冷，但需高精度激光与 UHV。

  5. 互连与模块化

  6. 光子：光纤与集成光子互连天然支持跨机架乃至跨机房的量子网络[2][10]；
  7. 超导：跨芯片互联需要微波–光子或专用互连（如 NVQLink）[8]；

  8. 离子阱：本身全连通，但跨模块主要依赖光子链路与真空工程。

  9. 制造与生态

  10. 光子：可直接利用 CMOS/硅光子产线（GlobalFoundries 等），以及成熟的光通讯封装与测试生态[1][6][10]；
  11. 超导：工艺更接近微波/超导工艺；
  12. 离子阱：真空与微结构电极工艺仍更偏“物理实验设备”。

6. 演进与未来趋势（“新”）

短期（~2027 前）

  • PsiQuantum 与 Xanadu 等目标：
  • 在现有 L1 架构上实现**首批“实用规模/容错”光量子机**；
  • 建成若干光量子数据中心节点（Brisbane、Chicago 等）[1][2][10]。
  • L1 演进重点：
  • 进一步压低波导与耦合损耗；
  • 提升室温探测器性能并替代部分低温 SNSPD；
  • 优化机架级 Cryostat 与光纤管理。

中期（2030 左右）

  • 预期形成：
  • 若干**光量子–经典混合数据中心**；
  • 光子量子网络与经典高性能计算深度融合；
  • 更标准化的光子量子模块接口（类似 CPO / co‑packaged optics 标准在 AI 数据中心中的地位）。

长期

  • 若光子路线成功实现低成本室温探测与高质量确定性光源，其 L1 形态将非常接近：
  • “普通数据中心 + 高端集成光子芯片”，冷却仅针对少量核心器件；
  • 这将使其在**功耗与运维成本**上相对于需要极低温的大规模超导系统具有显著优势。

小结：从“层–桥–线–用–新”看光量子 L1

  • 层（Layer）：
  • 光量子 L1 = 芯片级光子平台 + 光源/探测器 + 光纤/波导网络 + 控制电子承载 + 冷却/机架。
  • 桥（Bridge）：
  • 向下为光子比特提供高纯度源、低损耗光路与高效率探测；
  • 向上为 L3 提供可寻址、可重构的光学端口与机架/数据中心级互联能力。
  • 线（Line）：
  • 光子路线在 L1 层不依赖稀释制冷，而依赖集成光子工艺与光通信基础设施；
  • 与超导/离子阱在温度、互连与能耗上形成鲜明对比。
  • 用（Use）：
  • 已可支撑非平凡的量子采样、模拟和部分机器学习任务，并为容错与百万比特级系统打基础。
  • 新（New）：
  • 2025–2026 年，Nature 级平台已给出可制造的高保真光子芯片；
  • 光量子 L1 正从“实验室光路”快速迈向“机架化、数据中心化”的工程阶段。

References

[1] Omega / PsiQuantum photonic chipset. https://www.psiquantum.com/omega
[2] Xanadu introduces Aurora: world's first scalable, networked and modular photonic quantum computer. https://www.xanadu.ai/press/xanadu-introduces-aurora-worlds-first-scalable-networked-and-modular-quantum-computer
[3] VTEC Quspads aim to break quantum free from the freezer. https://ioplus.nl/en/posts/vtecs-quspads-aim-to-break-quantum-free-from-the-freezer
[4] MicroAlign OFC 2025 Highlights – ultra-precise fibre arrays. https://microalign.nl/press-release-microalign-breakthrough/
[5] Record‑low loss photonic chip for quantum computing. https://interestingengineering.com/innovation/record-low-loss-photonic-chip-quantum-computing
[6] A manufacturable platform for photonic quantum computing (Nature 2025). https://www.nature.com/articles/s41586-025-08820-7
[7] New photonic techniques aim to break three longstanding barriers to quantum scale. https://thequantuminsider.com/2025/12/11/new-photonic-techniques-aim-to-break-three-longstanding-barriers-to-quantum-scale/
[8] Photonic quantum computers could boost machine learning algorithms. https://thequantuminsider.com/2025/06/09/photonic-quantum-computers-could-boost-machine-learning-algorithms/
[9] China’s new photonic quantum chip promises 1000‑fold gains. https://thequantuminsider.com/2025/11/15/chinas-new-photonic-quantum-chip-promises-1000-fold-gains-for-complex-computing-tasks/
[10] Photons light the way to useful quantum computing (Optica OPN 2025). https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_36/june_2025/features/photons_light_the_way_to_useful_quantum_computing/
[11] First electronic‑photonic quantum chip manufactured in commercial foundry. https://news.northwestern.edu/stories/2025/07/first-electronic-photonic-quantum-chip-manufactured-in-commercial-foundry