光子筑算：解码光量子计算机的奥秘与应用

光量子计算机是一种以光子为信息载体的量子计算设备，其核心原理植根于量子力学的叠加态与纠缠特性。光子的天然属性赋予这类计算机独特优势，既无需超低温环境即可稳定运行，又能以光速处理信息，成为量子计算领域极具潜力的技术路线。理解光量子计算机的工作机制，需要从其信息载体 —— 光子量子比特的特性说起。这些特性不仅决定了设备的核心优势，也指明了技术发展中需要突破的关键瓶颈。

光子作为量子比特具有多重突出特质。其自由度丰富，横向偏振态、空间路径等都可用于编码信息，例如将水平偏振态定义为 | 0⟩，垂直偏振态定义为 | 1⟩，构建基础量子比特单元。单量子比特门的实现尤为简便，通过偏振片、波片等标准光学元件，就能以高保真度操控偏振态，完成量子态的转换与处理。更重要的是光子的相干时间极长，在各向同性介质中传播时，偏振态与相位几乎不受干扰，这意味着量子信息能在更长时间内保持稳定，减少环境噪声带来的计算误差。这些特质共同构成了光量子计算高效运行的基础。

光子筑算：解码光量子计算机的奥秘与应用

不过光量子计算的实现仍面临诸多挑战。单光子源的可靠性不足是首要难题，目前尚无确定性的相同单光子制备技术，实验中需结合量子点源与延迟线才能获得少量可用光子，大规模制备时还需配套存储器。光子的存储同样棘手，由于光速极快且低损耗光子盒难以构建，将光子长时间约束在狭小空间内至今仍是技术瓶颈。测量环节的局限性也不容忽视，光子计数探测器的测量具有破坏性，且效率通常低于 100%，与固态量子比特接近完美的测量保真度形成明显差距。最核心的挑战在于双量子比特门的实现，光子之间天然缺乏相互作用，必须通过测量辅助或非线性介质才能间接构建量子门，这使得操作复杂度大幅提升。

解决这些挑战的技术方案正在不断迭代。分束器的巧妙运用为光子纠缠态的制备提供了简便途径，当单个光子入射 50:50 分束器时，输出态会形成 | 10⟩与 | 01⟩的叠加纠缠态，而两个光子入射时则会出现洪 – 欧 – 曼德尔效应，为双量子比特门的构建奠定基础。概率性 CNOT 门通过线性干涉与辅助光子检测，能以有限概率实现量子逻辑操作，成功检测到辅助光子即标志着门操作生效。非线性光学介质的研发也取得进展，若能实现光子相互作用产生的 π 相移，就能构建确定性光子门，从根本上解决双量子比特操作难题。这些技术突破正在逐步打通光量子计算的实用化路径。

光量子计算机的编码方式呈现多元化特征，每种方式都对应特定的应用场景。偏振编码最为简单直接，利用光子偏振态承载信息，与现有光学通信技术兼容性极高，广泛用于短距离量子计算系统。路径编码通过光子的传播光路差异实现量子态表示，借助光路干涉可灵活调控量子叠加与纠缠，是光量子芯片中的核心编码方案。时间 – 比特编码将信息存储在光子到达的时间槽中，在光纤量子通信中表现出极强的稳定性，适合长距离分布式量子计算。连续变量领域的压缩光态编码，则通过光波的相位与振幅存储信息，为解决复杂组合优化问题提供了新思路。

商用化进程的推进让光量子计算机的应用价值逐步显现。全球首款商用科研级光量子计算机 TuringQ Gen1 系列，已实现量子行走、时间戳玻色采样等多种算法的原理性演示。在科研领域，其三维光量子芯片映射能力可直接模拟复杂科学问题，输出精准计算结果；交通物流领域中，量子 PageRank 算法能更精准地完成网络节点重要性排序，优化物流路径规划；人工智能场景下，通过模拟量子随机行走可实现神经网络的联想记忆功能，提升图像识别效率。光伏材料设计与金融市场分析中，该设备分别能优化光能量传输效率、解析金融时间序列特征，展现出跨领域的应用潜力。

国际技术竞争进一步推动光量子计算的性能跃升。加拿大团队研制的模块化光量子计算机 Aurora，通过 35 颗光子芯片与 13 公里光纤连接，创下 864 亿模式跨芯片簇态的纪录，将核心技术演示成功率提升超 10 倍。法国 Quandela 公司的 12 比特光子量子计算机 “Belenos”，借助机器学习补偿硬件误差，计算能力较前代提升 4000 倍，可支持材料模拟等高精度任务。美国 PsiQuantum 的光子芯片 Omega 集成百万量子比特级组件，单量子比特保真度达 99.98%，首次实现 4 光子数分辨，为大规模光网络构建提供了可能。这些成果既展现了技术的快速进步，也揭示了不同技术路线的发展侧重。

两种主流技术路线在实践中形成互补。基于门的光子量子计算遵循标准电路模型，利用光束分离器、移相器等元件实现量子门操作，PsiQuantum 等企业通过这种方式追求通用量子计算能力。由于光子天然无相互作用，该路线常采用基于测量的量子计算模式，通过预先生成的大型光学簇态完成计算。连续变量光量子计算以高斯玻色采样为核心，Xanadu 公司的 Borealis 处理器即采用这种方案，专门解决经典计算机难以处理的哈夫尼亚函数计算问题。前者偏向通用计算，后者聚焦特定问题加速，共同推动光量子计算的产业化落地。

高斯玻色采样作为光量子计算的重要范式，其独特的计算原理使其在特定问题上具备显著优势。该过程首先通过光学参量下转换源生成高斯压缩真空态，这些态包含成对相关光子，遵循特定的高斯概率分布。随后压缩态进入由光束分离器和移相器组成的线性光学网络，通过光子干涉形成复杂的量子叠加态。最终光子数分辨探测器捕获的输出模式，构成了经典计算机难以模拟的概率分布样本。这种基于哈夫尼亚函数的计算模式，在分子模拟、图优化等领域展现出巨大潜力，成为验证量子优势的重要载体。

光量子计算的价值不仅在于性能的突破，更在于其与现有技术体系的兼容性。无需极低温环境的特性，使其能轻松集成到现有数据中心，降低部署成本与复杂度；光子的长距离传输能力可与光纤网络无缝对接，为分布式量子计算网络的构建提供天然条件。这些优势让光量子计算机无需对现有基础设施进行颠覆性改造，就能逐步实现算力升级。当单光子源、存储与测量等核心技术瓶颈得到突破后，其在科研、产业等领域的应用将迎来爆发式增长，重新定义人类处理复杂问题的能力边界。

常见问答

光量子计算机与超导量子计算机有何核心区别？

两者最关键的区别在于量子比特载体与运行环境：光量子计算机以光子为载体，可在室温下运行，抗退相干性强，无需复杂制冷设备；超导量子计算机采用约瑟夫森结构建量子比特，需超低温环境维持量子态，但量子门操作确定性更高。应用场景上，光量子计算机更适合分布式计算与特定问题加速，超导路线则在通用计算领域进展更快。

光子之间没有相互作用，如何实现量子计算必需的纠缠操作？

主要通过两种方式实现：一是利用分束器等光学元件产生干涉效应，如单个光子经过 50:50 分束器后形成路径纠缠，两个光子入射时产生的洪 – 欧 – 曼德尔效应也是纠缠的典型表现；二是通过测量过程辅助实现有效相互作用，构建概率性量子门，当检测到辅助光子时即表明纠缠操作成功。部分方案还在探索非线性光学介质，以实现光子直接相互作用。