光子量子计算芯片的光损耗容差比任何对手高出 4x

英国谢菲尔德初创公司 Aegiq Ltd 和谢菲尔德大学的研究人员发布了一种新的光量子计算架构，该架构直接针对阻碍光子在通往容错量子计算机的竞赛中与超导芯片竞争的两大工程障碍。这篇论文经过同行评审，于 2026 年 10 月 8 日发表在 Quantum Science and Technology（IOP Publishing 在该领域的顶级期刊）上，提出了一种名为 QGATE 的架构，它是 Quantum Gate Architecture via Teleportation and Entanglement（通过隐形传态和纠缠实现的量子门架构）的缩写。

论文报告了光子损耗的错误阈值为 10.36 ± 0.02% 和 25.98 ± 0.28%（即在计算变得不可校正之前可以损失的光子比例），具体取决于逻辑量子比特的构建方式。这两个数据都与超导和离子阱系统的基准具有竞争力，而较高的数字大幅超过了之前其他架构发表的光子损耗阈值。作者还报告称，QGATE 将算法编译时间从随电路复杂度呈指数级扩展的问题降低为随电路复杂度线性扩展的问题——这是一项实际的改进，如果能在硬件规模上实现，将显著降低部署量子算法的经典处理开销。

为什么光量子计算一直举步维艰

在许多方面，光子是理想的量子计算载体。它们在接近室温的条件下运行，抗热噪声，以光速传播，并且与现有的光纤基础设施自然兼容——这些特性使它们成为当今主导量子硬件领域的超导量子比特的有吸引力的替代方案，后者需要稀释制冷机冷却到绝对零度以上几分之一度的范围内。

问题在于光的一个基本属性：光子之间的相互作用非常微弱。在经典光学中，这是一个特性而非缺陷——光子相互穿过而互不干扰。在量子计算中，这意味着作为每个量子算法计算核心的双量子比特门操作不能通过简单地交叉光束来确定性地实现。相反，早期的光子架构被迫依赖概率操作——有时会失败的门——并且需要大量的冗余来补偿。硬件容忍的失败越多，就需要越多的光子、组件和经典开销。

更复杂的是，生成领先的计算范式——基于测量的量子计算（MBQC）——所需的大型纠缠“资源态”本身就是一个巨大的工程挑战。在 Raussendorf 和 Briegel 于 2001 年提出的 MBQC 中，计算完全由对预先构建的纠缠簇态的测量驱动；算法越庞大越复杂，簇态就必须越大，而提前构建它会带来资源开销，这在历史上一直随电路复杂度呈指数级扩展。

QGATE 的工作原理：结合两种范式

QGATE 的核心见解是电路模型和 MBQC 并不是互斥的。它没有在两者之间做出选择，而是融合了它们的互补优势。

在电路模型（从经典计算类比中熟悉的占主导地位的范式）中，量子门按顺序应用于量子比特，每个门消耗量子比特状态并即时产生纠缠。在 MBQC 中，所有纠缠都是提前准备好的，计算纯粹通过测量执行。QGATE 的混合方法动态且按需生成纠缠，仅当特定的门操作需要时才生成——从不预先构建完整的簇态，但仍然利用测量驱动的范式来执行计算。