超导量子计算走向千比特，光互联读出为何是关键

　　量子计算机的比特数这些年一直在往上走。但真正做机器的人知道，比特数不是唯一难的。当比特从几十个堆到几百个、上千个，先“撞墙”的往往不是芯片，而是线。

　　超导量子计算机的读出，传统上靠同轴电缆，一个比特一根，从接近绝对零度的低温区一路拉到室温。这根线，正在成为扩容路上的一道坎。

　　超导量子比特靠超导电路工作，量子态极其脆弱。环境里任何一点热噪声，都足以让它退相干——通俗地说，算到一半“忘了”自己算到哪儿。所以超导量子计算机的核心部件都装在一台叫稀释制冷机的设备里，温度低到几十毫开尔文。这个温度是什么概念？宇宙空间的平均温度约2.7开尔文，也就是零下270摄氏度左右，而稀释制冷机里的温度比它还低一到两个数量级。

　　维持这样的低温，靠的是极其有限的制冷功率。稀释制冷机每一层能提供的冷量都有定额，用一点少一点。

　　而读出环节，恰恰要求低温区和室温之间必须连通。量子计算算完之后，要把每个比特的结果读出来。比特待在毫开尔文的极冷处，发指令、收结果的仪器，比如微波源、放大器、数字化仪、时钟同步等，绝大多数装在室温机柜里。信号只能从低温传出来。传统方案是同轴电缆，从毫开尔文温区一路接到室温机架。而且不是一根线对一个比特——控制要线、读出要线，有的比特还要单独的偏置线，一个比特往往对应好几路通道。

　　比特少的时候这没问题。几十个比特，几百路通道，制冷机还扛得住。但比特数往千走，通道数就奔着几千去了。

　　每一根电缆都是一条热的通道。金属导热，就算做得再细，热量也会顺着线从室温漏进低温区。这就像冬天屋里每开一扇窗，暖气就往外跑一点，开一扇两扇无所谓，开一千扇，屋里就冻透了。空间也是问题，制冷机的低温区就那么大，物理上塞不下上千根线，还要留出走线和接插的位置。比特规模继续往上走，这套方案会先撑不住。

　　一个思路是：不传电，传光。

　　具体做法叫微波—光转导。在低温端，先把比特的微波读出信号“翻译”成光信号，再通过光纤送到室温。光有个天然优势——光纤几乎不导热。石英光纤的热导率比铜低两个数量级以上，用光纤替代电缆，等于把上千扇“开着的窗”换成几根几乎不漏热的细管。而且光纤带宽大，一根能传很多路信号。

　　波长选在1550纳米，这也是光纤通信最常用的波段，器件最成熟、损耗最低。选它，等于直接借用了一整套现成的光通信产业链。整条链路因此变成四段：低温端把微波变成光，光纤把光送出来，室温端把光接住并探测，最后交给上层的量子控制系统。

　　链路里不好做的是最后一环——探测。

　　从制冷机里引出来的光，弱到什么程度？不是“暗”，是“稀”。信号已经弱到接近单个光子的量级，探测器必须能分辨出“来了几个光子”。这跟普通相机完全不同，普通相机拍的是成片的光，传感器积累足够多的光子才成像；单光子探测器要做的，是在几乎没有光的情况下，判断“刚刚是不是来了一个”。

　　难点有三个。一是暗计数，探测器本身有噪声，没有光的时候也可能误报“来了一个”，这种误报压不下去，真信号就会被淹没。二是串扰，多通道同时工作，通道之间会互相干扰，左边收到的信号串到右边去。三是一致性，多个通道的灵敏度必须一致，否则同一个实验，不同通道读出来的数据没法横向比较。

　　近日，国光量子发布了一款25通道超低噪声单光子级探测器模组，做的就是这个位置——光转导链路室温侧的接收端，把从制冷机引出的多路极弱光信号并行接住。

　　25这个数字，放在行业里是什么位置？目前国内同类工程化多通道单光子探测产品多以4通道为主，面向超导量子计算光读出的高密度阵列产品相对稀缺。通道密度上去，系统规模就变了。按同等比特规模测算，读1000个比特，4通道方案约需250台设备，25通道约需40台。设备少了，校准的复杂度、低温区占用的空间、系统整体的成本都跟着降。该模组采用模块化分组架构，单模组集成25路，可以多模组堆叠，向上适配数百直至千比特量级的并行读出。

　　此前，国光量子已发布超大规模光纤阵列和穹希（Quan Si）量子计算智能操作系统，分别对应链路里的传输段和控制段；这次发布的探测器模组补的是室温探测这一段。三者联调之后，将打通从低温电光转换、光纤传输、多路并行探测，到上层量子控制与数据采集的完整国产化读出链路，形成一套可落地的超导量子计算光互联解决方案。

　　量子计算机比特数往上堆，卡住进度的常常不是最受关注的那些环节，而是读出、布线、散热这些“看不见的工程”。这类部件每补齐一个，通向千比特的路就往前推进一段。（肖春芳）