Xanadu量子科技公司的Aurora模块化光量子计算机架构

逍遥设计自动化

引言
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本文介绍由Xanadu量子科技公司开发的Aurora系统，这是具有代表性的模块化光量子计算机。该系统展示了实现通用和容错量子计算所需的关键功能[1]。

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4 _) k# ]1 K! U& n& }系统架构与组件
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Aurora架构由三个主要阶段组成，这些阶段协同工作以处理量子信息。系统核心包含35个通过光纤连接网络化的光电子集成芯片，实现量子计算所需的所有基本操作。

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4 F5 a( p: E5 }0 g3 D1 `图1展示了Aurora架构的布局，包括损耗路径P1、P2、P3和P4。图示说明了三个主要阶段：用于态制备的高斯玻色采样(GBS)、用于态改善的精炼器，以及用于计算的量子处理单元(QPU)。

& e) {6 k$ {6 _+ I  Y4 E% d第一阶段使用高斯玻色采样器件准备初始非高斯量子态。这些量态随后由自适应干涉仪树和外差探测器（称为精炼器）处理，提高非高斯态的质量并将其纠缠成双模GKP贝尔对。最后，量子处理单元阵列选择最高质量的贝尔对，将其纠缠成时空簇态，通过外差测量实现量子门操作。
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5 a: N* C* \! ?图2呈现了Aurora系统及其主要模块的示意图，展示了激光系统、计算模块、光源、光纤延迟线、精炼器和量子处理单元组件在机柜中的物理排布。

2 {. N- \- O- g5 U& v除光子数分辨探测系统外，整个系统安装在四个标准服务器机柜中，大多数组件在室温下运行。系统结合了84个压缩器和36个光子数分辨探测器，每个时钟周期提供12个物理量子比特模式。
/ \  ?% k/ T  i$ y# u6 l0 E, `实验验证
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/ T2 B3 M3 l5 D1 |研究团队进行了两个核心实验来验证系统性能。在第一个实验中，展示了跨独立芯片纠缠的大规模簇态合成，实现了864亿个模式的规模。
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' N2 W' s# B( Q# Q图3展示了宏节点簇态的合成和测量，显示了图形表示、零化子方差，以及通过协方差测量展示系统的自适应能力。
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第二个实验展示了系统实现实时解码的折叠距离-2重复码的能力。此演示验证了几个关键能力：单时间模式非高斯资源态的预告合成、基于光子数分辨探测的实时复用、带光纤缓冲的时空簇态形成，以及使用芯片集成外差探测器实现单时钟周期实时反馈的自适应测量。
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: `  g- l% M/ L图4说明了容错阈值分析，显示不同损耗预算和复用深度如何影响系统达到容错运行的能力。
损耗要求与未来挑战
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管理光学损耗是光量子计算中最显著的挑战之一。研究对架构的光学损耗容限进行了详细分析，这是跨越容错阈值的主要难题。

$ I3 m: g6 L! f# L( {+ L分析确定了三个需要仔细管理损耗的关键光路：
P1：从压缩器到光子计数器
P2：从压缩器到精炼器中的外差探测
  }: i0 [4 u9 i2 f5 g  \P3：从复用器输出到量子处理单元中的外差探测器
9 T" Z/ K9 e, Y) B) Z& B# r  I当前实现显示预告路径损耗约56%，预告光路损耗略高于95%。通过改进组件设计和制造技术，研究团队已确定了几种有望降低损耗的方法。

* d! u- [2 _  Y# t实用量子计算的发展需要架构优化和硬件改进。定制化制造工艺工程和光子器件设计的最新进展表明，有望实现所需的损耗预算。架构的模块化特性使得随着器件技术进步可以持续改进和扩展。
结论
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  Y8 ~, l& h) p, d0 p8 y% E$ c; WAurora系统在证明光量子计算可行性方面取得了重要进展。虽然目前性能水平需要提升才能实现容错，但该架构为扩展光量子计算机提供了明确方向。室温运行、用于批量制造模块的芯片集成以及用于联网的光纤技术的组合，使光子技术成为未来量子计算系统的重要平台。
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成功演示了实现通用性和容错所需的所有关键构建模块，加上详细的损耗要求分析，为未来发展奠定了基础。随着器件技术持续改进和架构优化不断发现，光量子计算正在逐步推进。
' j$ c+ g/ `8 d1 G+ v 参考文献
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[1] H. Aghaee Rad et al., "Scaling and networking a modular photonic quantum computer," Nature, vol. TBD, Jan. 2025, Art. no. 41586, doi: 10.1038/s41586-024-08406-9.
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