这家公司想用光打造下一代量子计算机

这台可能会改写计算规则的机器，未来会被安置在一个加密数据中心和冰淇淋工厂之间的空间里。房间里将排列约100个不锈钢机柜，每个高约1.8米，接入液氦供应系统，把内部温度维持在仅比绝对零度高出几度的水平。机柜内部容纳数百块芯片，芯片上运行着数千个光子，穿行于由光学开关和分束器构成的复杂网络中。每个光子的运动记录都必须被精确记录，因为其位置的测量，可能最终帮助科学家解开一些传统计算机需要百万数年才能算出答案的问题。

眼下，这台机器还只存在于设计图纸上。

它是量子计算公司PsiQuantum的愿景。2016年，四位来自英国高校的物理学家共同创立了这家公司。在竞争激烈的量子计算实践上，几乎每家公司都提出了过雄心勃勃的目标，PsiQuantum希望自己能够率先把设想变成现实。

自物理学家理查德·费曼于1981年提出量子计算的构想以来，人们一直期待这类机器能够利用量子粒子的特殊性质，加速从新药研发到人工智能的各个领域。传统计算机用比特（bit）作为信息单位，每个比特只能表示0或1；量子计算机则用量子比特（qubit），它可以在多种状态下进行大规模运算。大规模量子比特组合在一起，理论上能形成远超传统计算机的算力。但直到今天，最先进的量子计算机规模仍然有限，错误率也居高不下，距离真正有实际价值的问题还很遥远。

这也让PsiQuantum对未来的设想。比如，公司用量子计算模拟细胞色素P450（细胞色素P450）酶的作用，这类酶广泛涉及人体内药物的分组过程。PsiQuantum量子应用副总裁Philipp Ernst说，按现有方法，评估一种药物与此类酶的配合可能要花上10多年的时间。“我们的目标，是把这个过程压缩到4分钟。”

在一个到处都是宏大承诺的领域里，PsiQuantum之所以受到关注，主要有两个原因：一是它几乎从成立之初就将目标锁定在大规模、实用化的量子计算机上；二是它已经和大型芯片制造商合作，打算直接利用现有的半导体制造系统来生产量子计算系统。

这套战略正在获得大量资源支持。去年，PsiQuantum 完成 10 亿美元融资，并在芝加哥启动了一项与量子计算评估计划第三阶段的公司之一，同时也参与了澳大利亚建设第二个基地，计划让该设施在 2027 年具备运行条件，并可以运行硬件的安装状态。此外，PsiQuantum 还是仅剩的四分之一进入美国政府一项严格量子计算评估计划第三阶段的公司之一，另一家是微软。这个计划要确定哪些量子计算公司真正有可能打造出可用的系统。

只是，判断 PsiQuantum 能否实现现承诺，不看一个临床试验结果那么直接。量子计算的进展通常是渐进式的，关键技术比较困难独立验证公司内部真实的工程进展。现在，PsiQuantum 正走向必须自证的阶段：多年闭门研发和数亿美元投入，最终会证明这家公司能够造出一个真正有用的量子计算机，还是让这个愿景落空。最快答案细节稍后才能见分晓。

01 光子的赌注

PsiQuantum 的四位创始人之一 Terry Rudolph 说话轻声细语，留着一头略显凌乱的长发。他出生在马拉维，直到拿到了第一个物理学位后才发现，自己竟是物理学家 Erwin Schrödinger 的外孙。后来，他自己出版了一本 150 页的量子计算科普读物，想讲给青少年听。PsiQuantum的公关人员曾送记者杂志签名版其实，还开玩笑说：“我们没指望真有人读完。”不过，这本书确实兼具趣味性和吸引力。

大约从2014年起，Rudolph和几位联合创始人逐渐相信，他们在理论研究中发现的可能性，或许真能在现实机器里实现。人登机离开学术岗位，按照各自专长分工：Rudolph主攻理论，Mark Thompson负责工程研发，Pete Shadbolt推动技术规模化，Jeremy O'Brien制定公司愿景和年轻人寻找。O'Brien曾长期就任CEO，直到今年2月卸任，接棒的是半导体行业资深人士Victor Peng。

现代科学至今为止大量的东西无法准确预测。人类还无法可靠判断哪一个锂电池会起火，也难以准确计算出航天器关键部件的腐蚀。这背后的原因不只是系统复杂，更关键的是，它们最终要服从量子力学的支配。亚原子粒子不像宏观物体那样具有明确的位置和速度，而是有多种可能性的量子状态，这种不确定性影响进一步原子和分子的。

一个世纪前，薛定谔就提出了描述这种量子状态的数学方法，但一旦把这些被困扰的现实世界的复杂系统放在上面，计算量就会急剧膨胀，甚至是今天最强大的传统计算机也难以精确模拟。于是，科学家们只能接近近似计算、不完全的模拟，或者用动物实验来弥补这条道缺口。

图｜PsiQuantum 材料实验室内用于制备钛酸动力学薄膜的真空沉积设备（来源：麻省理工科技评论）

20世纪80年代，Richard Feynman、David Deutsch等物理学家开始设想：能否造出一个全新的机器，直接利用量子规律来计算？这个机器不再依赖“开”“关”两态的晶体管，而是控制一个量子态的探针完成侵犯，最后再测量结果。

如果量子本身遵循量子规律，那么用量子系统去量子模拟系统，或许能够第一次让物理和化学模拟真正贴近现实。这将是设计新药、新材料以及一切解决受量子力学支配问题的重要工具，也可能给计算方式带来一场深刻的变革。

在鲁道夫看来，每一次读懂自然规律的重大突破，往往都会催生新的技术工具：“我不认为工业革命发生在人类学会计算和模拟牛顿力学、热力学以及经典电磁学之后，只是巧合。只要我们拥有更强的计算、模拟和理解能力，就会造出由此而相信生的不可思议的机器。”他的量子计算机也带来类似的转变。

量子计算领域长期面临一个核心难题：哪种量子系统才足够稳定、可控，能拿来当量子比特用。候选方案包括离子、原子和人工制造的特殊量子结构，但量子系统极其脆弱，任何介入都可能让态崩溃缩成某种确定状态。

如果崩溃发生在计算过程中，而不是最终读取时，就会产生错误。错误一旦累积，量子计算机就给出可靠的答案。这有点像早期航空技术，工程师当时也拿不准飞机机翼该固定不动，像鸟翅一样振动。

如今，量子计算领域同样没有定论。谷歌和 IBM 押注超导量子比特，用铝类金属做超导电路；英特尔选择利用电子；PsiQuantum 押注超导量子比特，构成光的基本粒子。

“光子有很多优势，”鲁道夫说。其中最重要的一点是，光子能长时间维持量子状态。宇宙微波背景辐射里的光子，可能已经这样维持了大约亿年的状态。

但光子的挑战也很明显。它们运动极快、容易曝光，更麻烦的是，两个光子通常会直接穿越宇宙，不会产生应答。可量子计算需要量子比特之间的相互影响，这让光子一度被认为根本不适合做计算单元，甚至让科学家怀疑基于光子的量子计算能力无法实现。

2001年，洛斯阿拉莫斯国家实验室和昆士兰大学的研究人员发现，让光子穿透由分束器和光圈组成的网络，在效果上却可以模拟出光子之间的交互。这项研究改变了整个领域，PsiQuantum的目标就是把预设理论变成现实。

但首先要解决尺度问题。早期方案里的光子量子计算机，可能会大到覆盖整个加州。2010年代初，当时还是鲁道夫博士生的梅赛德斯吉梅诺-塞戈维亚，在差点成为职业步枪家之后，提出了一种能大幅缩小系统尺度的方法。

此后，PsiQuantum逐渐摸索出自己的技术路线：先用激光光子并让它们“纠缠”。在这种量子现象里，粒子不再拥有各自独立的状态，而是共享同一个整体量子态；随后光子进入由量子门构成的复杂网络完成计算产生；最后系统读取光子的量子状态，同时不断追踪并修正计算过程中出现的错误。

这套流程真正的难点在于，每一步都获得成功执行数百万次。这已经不是一个普通的工程挑战，迄今已难以逾越的技术壁垒。与此同时，PsiQuantum还得建立起完整的供应链，比如制造具备特殊性能的新材料，才能让单个光子沿着预设路径稳定传输。

02 低温、材料与规模化

为了展示这套系统背后的工程量，PsiQuantum 曾带人参观其位于美国加州门洛帕克的实验设施。这里是 SLAC 国家加速器实验室驻地，曾参与比尔奖级研究，并于 1968 年发现夸克的研究中心。夸克是构成质子和中子的基本粒子。

，PsiQuantum 选在这里落脚，是看中了 SLAC 大型低温设备里的液氦供应。液氦被用来把量子计算机机柜冷却到接近深空的温度。目前这些机柜的运行温度约为零下 456 华氏度。PsiQuantum 希望未来能把温度稍稍提高到零下 452 华氏度左右，如此，这对量子设备而言仍是极度低温。

图｜PsiQuantum 的部分冷却系统（来源：麻省理工科技评论）

大多数量子计算路线都需要让整台系统达到超导温度，因此运行成本很大一部分都花在制冷上。光子队列的优势就在这里显现出来：它并不需要整台机器保持低温，只需要在计算结束时检测单个光子的光子，才需要极低温环境，而且这个温度也略与其他技术路线的要求。

PsiQuantum表示，公司打算把美国《芯片与科学法案》提供的1亿美元资金里的一部分，投入到此类的研发中。

最初，PsiQuantum 只是暂时借用 SLAC 的液氦制冷设施；如今，公司已经在美国加州米尔皮塔斯的测试中心建起了自己的制冷系统，并计划在澳大利亚的生产基地部署更大规模的低温系统。对量子计算公司来说，这样的液氦制冷设施是最昂贵的基础设施之一，也将消耗掉那 10 亿美元融资中相当可观的一部分。

除了低温系统，PsiQuantum还解决了材料制造的问题。在圣何塞的实验室里，工程人员正在制造一种蓝色晶体材料，如图钛酸负极（barium titanate）。

图｜钛酸动力学（来源：麻省理工科技评论）

PsiQuantum看重这种材料，是因为它能用极低的电能输入，快速而稳定地控制光子的传输，同时把对光子的干扰降到最低。但钛酸动力学的制造过程相当艰难：PsiQuantum成立时，根本没有能力大规模供应这种材料的产业链。经过权衡，公司最终自己做了。鲁道夫称这是“一个令人惊叹的决定”，因为这意味着决定投入巨额资金，从零建立起自己的制造能力。

在实验室里，技术人员把制造材料所需的基础元素倒进料斗，再通过类似大型压力锅的设备处理，材料并最终经加热、汽化，在晶圆表面形成一层薄薄的晶体膜。早期，做出晶圆晶圆要花约12个小时；现在，PsiQuantum表示每天已经能简单多片晶圆。

这些晶圆之后会被送往位于美国纽约州马耳他的芯片制造商 GlobalFoundries，由晚上生产 PsiQuantum 的量子芯片。

PsiQuantum希望这套系统繁琐的供应链，最终能变成它相对于竞争对手的优势。这套系统其实很像现有硅光子芯片（silicon photonics）的升级版本，硅光子芯片同样靠光来供货信息，目前已经在数据中心里使用。

这意味着，一旦PsiQuantum能够实现量子芯片的大规模生产，公司或许就可以直接借用现有设施的半导体制造工具和基础设施，不必从头搭建一整条产业链。但拥有一块能组装起来的芯片，并不代表能轻松扩展成一个由数千块芯片组成的大系统。所以，PsiQuantum正通过分阶段测试来验证推进。目前，公司在米尔皮塔斯的测试设施已完成三台机柜之间的连接，每台机柜多达250台块芯片。

下一步，公司需要进一步扩大系统规模，验证纠错技术在系统扩展后能不能继续稳定运行。按计划，澳大利亚基地的制冷系统将在年底前后完成部署，届时PsiQuantum希望能把约100个机柜连接起来，之后才会推进更大规模的测试，尝试运行那些公司曾致力于解决重大科学问题的量子算法。

这份时间表本身也存在争议。阿联酋多篇报道称，2027 年将是 PsiQuantum 在澳大利亚获得的第一台完整规模量子计算机的节点，但该公司对此做了阐述，认为婴儿理解有误。

PsiQuantum承诺的只是让澳大利亚设施在明年底前达到可运行状态，如果制冷系统安装、完毕安装具备硬件的条件，并不等于就能拥有一台达到目标规模的量子计算机。在量子计算这个领域，技术进展本就充满了不确定性，而企业公布的时间表又常成为评判其成败的重要依据，这一层区别因此并不无关紧要。

03 外部的验证与真正的用武之地

要寻找一个最有资格判断PsiQuantum能否成功成功的外部观察者，美国国防可能是其中之一。美国国防高级研究计划局（DARPA）近年一直在推进一项评估计划，想弄清楚提出宏观大规模子计算愿景的公司里，究竟有哪些可能实现的目标。

过去一年半里，这个项目负责人对量子计算未来的态度明显更加乐观了。曾负责该项目、自称“量子怀疑论者”的 Joe Altepeter，在 2025 年 3 月说：“相比过去 10 年里的任何时候，我现在都更加乐观。”

今年，接棒的项目负责人 Micah Stoutimore 在早些时候声明里说：“现在看来，到 2033 年，某家公司推出一台实用规模量子计算机似乎已经很有可能。”实用规模量子计算机指的是一个产生的价值能力超过自身建造和运行成本的机器。DARPA 2023 年开始评估 PsiQuantum 的技术系统，去年将其纳入第三阶段测试，就是系统性判断今年这家公司提出的技术路线是否真正可行。

但对量子计算行业中的大多数人来说，PsiQuantum 仍然像个黑箱。

“外部人士很难判断，”德克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家 Scott Aaronson 说。他长年运营一个关注量子计算产业动态的博客。相比之下，Google 和 Quantinuum 正在走更开放的路线。这些公司长期以来持续发表研究成果，展示芯片和系统一步的改进，也公开构建大规模量子计算机所需的工程基础。

PsiQuantum 选的是另一条路。他们几乎从一开始就将目标锁定在商业化的终点，匡造了一台拥有 100 万量子比特的机器。普遍认为，只有达到这个规模，量子计算机才有可能解决计算机传统目前无法处理的问题，PsiQuantum 也常把这个工业级目标来凸显自己的变异性。

图｜PsiQuantum打造大规模量子计算机（来源：麻省理工科技评论）

当然，追求大规模量子计算的不止于此。IBM在2020年公布了自己的量子计算路线图，此后持续扩大系统规模。该公司最初计划在2028年实现配备量子计算能力的大型量子系统，这个目标下眼似乎已经推迟到了2030年。

除了造机器本身，PsiQuantum的另一个重心，是帮产业界提前想清楚未来该如何用这项技术。公司已宣布和多家企业合作，其中包括希望用量子计算做材料设计的国防企业洛克希德·马丁、想把它用在电池研发上的汽车制造商奔驰，以及航空制造企业空客。

这些企业现在都还没有真正可用的量子计算机，但 PsiQuantum 不觉得问题。Philipp Ernst 打了个游戏开发的比方：“索尼或后年可能推出 PlayStation 6，而人们现在已经开始为它开发游戏了。从原则上说，非常类似。”这个比方虽然简单，但也不是完全没有道理。即使运行量子硬件还没有造出来，研究人员仍然可以提前开发出解决具体科学问题的量子算法。

通过 PsiQuantum 的设想，公司内部及客户企业里的量子信息专家，会共同把现实世界的设计需求转化成量子算法。比如，奔驰想优化电动汽车电池性能，研究人员就得把这个工程问题转译成量子计算机能处理的形式。

为此，PsiQuantum 开发了一套叫做 Construct 的软件工具，让企业能够设计未来可能在量子计算机上的算法。跑量子计算的未来，很大程度上取决于这些算法。人们常说量子计算机能够“加速所有计算”，但事实并非如此。他们只擅长处理某些特定类型的问题。要让量子解决一个问题，首先得系统把它转化为适合量子处理的算法。

引人注目的眩晕已经把整个职业生涯都投在了这些算法上，尽管真正能运行它们的量子计算机还远远不够。这些算法的核心，是利用量子力学规律去机械关系概率，完成传统做不到的侵犯。

其中最重要的例子是 Shor 算法，由理论计算机科学家 Peter Shor 于 1994 年提出，也是各国政府高度关注量子计算的重要原因。理论上，Shor 算法能够破解目前互联网广泛使用的加密体系，包括信用卡信息以及军事通信依赖的加密方式。

图｜PsiQuantum 芯片测试（来源：麻省理工科技评论）

目前数字世界之所以还算安全，一个重要原因就是还没有一个足够强大的量子计算机能够运行这个算法。与此同时，安全研究人员已经开始开发能够抵御量子计算攻击的新型加密技术。

PsiQuantum 正在研究的问题是：如果未来真的拥有了足够规模的量子系统，运行算法究竟要花多长时间。