光量子基础设施详解
光量子计算 (Photonic Quantum Computing) 的 L1 基础设施与前两者截然不同，它呈现出一种**“常温计算，低温读出”**的混合热力学特征。
如果说超导是“巨大的冰箱”，离子阱是“极致的真空”，那么光量子计算机更像是一个 “精密的光纤服务器机房”。其最大的工程优势在于，大部分组件可以在室温下运行。
L1 基础设施层：光量子计算环境全景 (Photonic Infrastructure)¶
光量子路线（以 Xanadu 和 PsiQuantum 为代表）的 L1 层核心在于解决**光子的产生、传输和探测**。
1. 混合热力学架构 (Hybrid Thermal Architecture)¶
这是光量子路线最大的基础设施优势。
- 计算区 (Room Temperature)：光子飞行经过的波导、分束器、相移器和长达数公里的光纤延迟线，全部工作在**室温 (~300K)**。这意味着无需庞大的稀释制冷机来包裹整个芯片，普通的数据中心服务器机架即可容纳。
- 读出区 (Cryogenic Readout)：唯一需要低温冷却的是末端的探测器。但这里的低温通常只需 2K - 4K，而非超导的 10mK。
- Trade-off: 4K 制冷机的制冷功率是 10mK 制冷机的 1000 倍以上 (瓦级 vs 微瓦级)，因此工程难度和成本大幅降低。
2. 核心组件系统 (Key Subsystems)¶
- 光源基础设施 (Light Source System)
- 挤压光生成 (Squeezing)：通过**光学参量振荡器 (OPO)** 或微环谐振器将普通激光转化为“压缩态光” (Squeezed State)。这通常是一个标准的机架式激光器模块，通过光纤连接到芯片。
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时钟同步：需要极高精度的时钟分发网络来同步数百万个光脉冲 (Time-bin encoding)。
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光路传输与计算 (Transport & Compute)
- 光纤网络：例如 Xanadu 的 Aurora 系统，在一个机柜内盘绕了长达 13 公里 的光纤，用于实现时域多路复用 (Time-Domain Multiplexing)。
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光子芯片 (PIC)：基于硅光子 (Silicon Photonics) 或氮化硅 (SiN) 工艺。这些芯片可以在室温下运行，但对**温度稳定性**要求极高（需控制在毫度级），以防止热胀冷缩改变波导的光程相位。
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超导探测系统 (The "Cold" Part)
- SNSPD (超导纳米线单光子探测器)：这是目前性能最好的光子计数器，使用 NbN (氮化铌) 或 WSi (硅化钨) 材料。
- 冷却需求：虽然工作在低温，但通常使用 闭循环液氦制冷机 (Gifford-McMahon Cryocooler) 即可维持 2-4K 环境，这种设备体积小、即插即用，类似于医用 MRI 的冷却系统。
3. 物理形态案例：Xanadu Aurora¶
- 机柜化设计：Aurora 系统由 4 个标准服务器机柜 组成，不再是实验室里的光学平台。
- Rack 1-2: 激光源与经典控制电子设备。
- Rack 3: 光子处理器 (PIC) 与光纤延迟环。
- Rack 4: 包含 SNSPD 的小型低温恒温器。
L1 基础设施横向对比总结 (Cross-Architecture Comparison)¶
这部分建议放在 README.md 或 01_L1_Infrastructure 的根目录下，作为 L1 层的总结图表。
| 维度 | 超导 (Superconducting) | 离子阱 (Ion Trap) | 光量子 (Photonic) |
|---|---|---|---|
| 核心环境 | 极低温 (Deep Freeze) | 超真空 (Deep Vacuum) | 混合 (Hybrid) |
| 关键温度 | 15 mK (毫开尔文) | 室温 或 4K | 室温 (计算) + 4K (探测) |
| 制冷难度 | ⭐⭐⭐⭐⭐ (极难) | ⭐⭐ (中等) | ⭐⭐⭐ (较低, 仅需 4K) |
| 环境敏感度 | 对热/磁场极度敏感 | 对电场/振动极度敏感 | 对光损耗/相位抖动敏感 |
| 物理载体 | 稀释制冷机 (DR) | 真空腔 (UHV Chamber) | 标准机柜 + 小型冷头 |
| 扩展瓶颈 | 热负荷 (Heat Load) | 离子阱尺寸/激光路数 | 光子损耗 (Optical Loss) |
| 代表案例 | IBM System Two | IonQ Forte | Xanadu Aurora |