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光子量子计算机是一类以光本身为计算媒介的量子机器，其工作方式在量子计算领域中独树一帜。它无需将芯片冷却至毫开尔文温度，无需捕获原子，也无需制造人造分子——信息承载于单个光子之上，沿着玻璃波导飞行，在可编程的干涉网络中完成运算。

核心要点速览

• 量子比特即单光子：信息编码在光子的路径、时序或偏振上，无需超低温冷却或离子捕获装置。

• 程序刻在玻璃上：可编程的波导与移相器网络执行运算，改变计算任务只需调整芯片设置，无需重新设计芯片。

• 光子不相互作用，测量完成运算：双光子门通过干涉和探测实现，而非依靠外力——因此测量是每个光子设计的中枢。

• 损耗是最大敌人，而非噪声：消失的光子带走它所携带的信息，任何屏蔽也无法使其恢复，因此每个组件都以“损耗多少光”为评判标准。

• 压缩光是另一条道路：连续变量方案将信息编码在光场的波动属性（振幅和相位）中，而非单光子状态，两种方案均有商业公司推进。

• 探测器与芯片同等关键：实现单光子探测的超导纳米线探测器是整个架构的基石，占据成本和低温系统的大部分。

单光子双波导即量子比特

最常用的编码方式称为双轨编码（Dual-Rail），其概念极为简洁：一束单光子，两条平行波导（芯片上蚀刻的光传输通道）。定义：光子在上通道表示|0>，在下通道表示|1>。一个分束器可将该光子置于两条通道的叠加态——这正是量子比特所需的一切。

根据不同硬件需求，同一思路可变换形式：偏振编码在单通道中使用水平和垂直偏振光，实质是换了一种模式对的双轨方案；时间仓编码将光子置于早到或晚到的时隙中，这种形式在光纤长距离传输中保持性更好。

供应商根据硬件选择编码方式：PsiQuantum和Quandela在芯片上使用路径编码，而ORCA Computing则通过光纤环路运行时间仓编码。

两个通道共享的单个光子构成一个完整的量子比特。两个分路器之间的移相器构成一个单量子比特门。图示来自 Quantum Zeitgeist。

单光子源仍存在随机性

所有下游操作依赖于按需发射恰好一个光子的光源，这比听上去困难得多。传统方法为自发参量下转换（SPDC） ：激光通过特殊晶体，偶尔将一个泵浦光子分裂为一对光子。探测到其中一个即预示其孪生光子正在路上——这称为“预示”机制。但问题是“偶尔”——提高激光功率会增加产生双光子的概率，这会破坏计算。

两种解决方案：复用冗余法并行运行多个概率性光源，将其中成功发射的那个切换至电路中，以硬件换可靠性；确定性光源用量子点（半导体柱中生长的人造原子）取代晶体，几乎每次都能发射一个光子。法国公司Quandela的机器即基于量子点，其光子不可区分性超过95%。

移相器设置即软件

光子产生后，计算机本身就是一个干涉网络。1994年的一个理论结果（2016年被优化为业界现行布局）表明：通过分束器和移相器两种基本元件组成的网格，可实现N通道上光的任意变换。分束器混合相邻通道，移相器使一路相对另一路产生延迟。编程移相器的设置即完成对机器的编程——在光子芯片上，干涉网络的设置就是软件，别无其他。

可编程分束器本质上是马赫-曾德尔干涉仪（两个固定耦合器包裹一个移相器）。当前主流的移相器是微型加热器——加热使下方玻璃膨胀改变光程，这种方法制造便宜但切换速度缓慢。下一代采用电场切换，材料如薄膜铌酸锂，响应速度远快于热效应。QCi在亚利桑那州坦佩运营着专注于该材料的代工厂，PsiQuantum已在加州300毫米晶圆上演示了钛酸钡移相器。

双光子门：九次成功一次

单量子比特操作远不够——光子学面临其最深层的奇特性质：光子彼此无视，这恰恰是它能干净利落地承载互联网流量的原因。但计算机需要比特之间发生相互作用。

解决方案来自1987年罗切斯特大学的Hong-Ou-Mandel（HOM）效应：两个全同光子从两侧射入50：50分束器时，它们总是从同一端口成对离开，从不会各走一路。这一纯粹的干涉效应无经典对应物，其“从不”的深度已成为衡量两个光子是否足够全同以用于计算的标准。

这种“聚束”效应是光子逻辑的原始素材，但代价昂贵：基于线性光学的纠缠门只能以一定概率成功，经典的“后选择”CNOT门（失败运行直接丢弃）成功率仅为九分之一（首版实验验证于2003年）。

这仍然足够。Knill、Laflamme和Milburn于2001年1月在《Nature》上证明：单光子、线性光学、探测器加上足够的辅助光子和量子隐形传态技巧，足以构成通用量子计算。此后所有光子架构均源于这篇论文。

光几乎不发生退相干，但相互作用也极弱，这就是为什么纠缠门九次尝试中只有一次成功。后来的架构会吸收这些失败，而不是重试。图表来自 Quantum Zeitgeist。

测量即计算

由于门操作不可靠，现代光子架构将电路模型“翻转”过来。在基于测量的量子计算（MBQC） 中（2001年提出），首先编织一个大型纠缠光子网络（称为簇态），然后通过逐个测量量子比特来完成计算，后续测量由先前结果引导。这种风格极其适合光——测量光子正是光子学最擅长的事。所有概率性“不良行为”都被推入计算开始前的簇态制备阶段。

PsiQuantum的基于融合的量子计算（FBQC） 方案（2023年发布）将簇态分解为小型全同资源态，通过称为“融合”的双光子测量将这些片段拼接在一起。即使在理论上融合也常常失败，设计本身即通过冗余吸收这些失败——在其公布形式中可容忍每次融合约10%的光子损耗。

光子学在此拥有一个结构性的“礼物”：当光子丢失时，探测器确切知道丢失的位置和时间——这种“有标记的擦除错误”比物质量子比特遭受的无声错误更容易通过纠错码修复。但尴尬的推论是光子无法等待——因此架构需将其“停放”在公里级光纤环路中，以更多损耗为代价换取微秒级的“耐心”。

压缩光：第二条道路

以上是第一条路——将光视为粒子。多伦多公司Xanadu（2026年3月上市）走的是第二条路：利用光的波动性，自称首家上市的纯光子量子公司。

其机器运行于压缩光——激光场的量子噪声在一个方向上被压缩至真空噪声以下（以另一个方向上的噪声放大为代价）。信息存在于连续波属性中，而非单光子的位置。2001年提出的GKP编码将这些连续变量折叠回具有纠错能力的量子比特，编码为“梳状”峰结构，微小扰动会使其产生可测量的偏移。

这一选择的优势在于：GKP量子比特上的逻辑门仅需分束器、压缩器和标准探测器——光子芯片已能良好实现这些功能。编码本身还能检测光子损耗引起的小漂移，因此纠错内置于量子比特中，而非外部附加。

Xanadu于2025年6月在集成芯片上实现了GKP量子比特（宣称为首个具有抗误差能力的实例）。其Aurora系统（2025年1月发布，当月发表于《Nature》）将35个光子芯片网络成一台机器，跨越四个服务器机架和13公里光纤。

经典算法反超与“量子优势”之争

光子量子计算机最著名的“头条新闻”来自一个较窄的领域：玻色采样（2011年提出）——机器仅从大型干涉仪的输出分布中采样，经典计算机模拟该任务则极其昂贵。中国九章装置于2020年12月声称实现量子优势（76个探测光子，宣称十万亿倍加速）。Xanadu的Borealis于2022年6月跟进，是首个可通过云端使用的“宣称优势”机器。

此后的事实是经典算法的持续进步——到2022年已将九章的“数十亿年”削减至“数天”，到2024年张量网络方法已可模拟大多数早期实验。中国团队以九章4.0回应（2026年5月13日《Nature》）：将1024个压缩态注入8176模式处理器，并针对此前击败其前身的“欺骗算法”进行基准测试。

制造优势 vs 损耗代价

光子学的优势是结构性的：光子几乎不受杂散电磁场影响（飞行中不退相干），以通信波长在普通光纤中传输。这使得光子计算机可像数据中心一样“房间接房间、机架接机架”地扩展，而非将所有量子比特塞入一台制冷机。芯片在标准300毫米半导体生产线上制造——PsiQuantum的Omega模块在纽约GlobalFoundries Fab 8生产。

冷却同样有利：单光子探测器需数开尔文温度，但相比超导芯片所需的近绝对零度稀释制冷机，这是“廉价”的工业温度——一个光子冷却柜可容纳数百个芯片。

代价在于：光源和纠缠操作是概率性的，容错光子机器需要惊人的组件数量，快速开关以捕获其“幸运”事件。光子缺乏好的量子存储器，时序需通过玻璃和光纤工程实现。PsiQuantum在其《Nature》论文中指出：容错操作需要数百万物理量子比特量级，相应的组件需以百万为单位制造。

损耗是无处不在的税——能够“补充”量子信号的放大器为物理定律所禁止。截至2026年中，尚无光子平台展示经同行评审的逻辑量子比特，而超导和离子阱竞争对手已在逻辑量子比特排行榜上占位。

主要厂商概览

现状与展望

整个领域追逐的里程碑——也是其明显缺失的——是逻辑量子比特。物质量子比特平台在2024至2026年间已跨越纠错门槛，而光子学尚未发表经同行评审的逻辑量子比特。路线图正汇聚于填补这一空白：Quandela目标2028年达数十个逻辑量子比特，Xanadu目标2029年容错数据中心，PsiQuantum押注其“实用规模”站点将直接跨越中间演示阶段。

光子量子计算机在量子家族中与众不同——其错误大多能“自我宣告”，芯片已来自商用半导体产线，模块可通过全球已铺设的光纤自然组网。这是否足以克服“抛硬币”式的光源和九分之一成功率的光子门，仍是悬而未决的问题。而回答这一问题的机器，将不是在“驯服光的奇异特性”，而是通过“调度”每一颗在飞行中的光子来建造。

来源：Quantum Zeitgeist技术科普文章，数据引自《Nature》及公司公开披露信息