這台可能會改寫計算規則的機器，未來將被安置在一個加密資料中心和冰淇淋工廠之間的空間。房間裡將排列約100個不鏽鋼機櫃，每個高約1.8米，接上液態氦供應系統，把內部溫度維持在僅比絕對零度高出幾度的水平。機櫃內部容納數百塊晶片，晶片上運行著數千個光子，穿行於由光學開關和分束器構成的複雜網路中。每個光子的運動記錄都必須被精確記錄，因為其位置的測量，可能最終幫助科學家解開一些傳統計算機需要百萬數年才能計算出答案的問題。
眼下，這台機器還只存在於設計圖面上。
它是量子計算公司PsiQuantum的願景。 2016年，四位來自英國大學的物理學家共同創立了這家公司。在競爭激烈的量子運算實務上，幾乎每家公司都提出了雄心勃勃的目標，PsiQuantum希望自己能夠率先把設想變成現實。
自物理學家理查德·費曼在1981年提出量子運算的構想以來，人們一直期待這類機器能夠利用量子粒子的特殊性質，加速從新藥研發到人工智慧的各個領域。傳統電腦以位元（bit）作為資訊單位，每個位元只能表示0或1；量子電腦則用量子位元（qubit），它可以在多種狀態下進行大規模運算。大規模量子位元組合在一起，理論上能形成遠超過傳統電腦的算力。但直到今天，最先進的量子電腦規模仍然有限，錯誤率也居高不下，距離真正有實際價值的問題還很遙遠。
這也讓PsiQuantum對未來的想像。例如，公司用量子計算模擬細胞色素P450（細胞色素P450）酵素的作用，這類酵素廣泛涉及人體內藥物的分組過程。 PsiQuantum量子應用副總裁Philipp Ernst說，依照現有方法，評估一種藥物與此類酵素的配合可能要花10多年的時間。 “我們的目標，是把這個過程壓縮到4分鐘。”
在一個到處都是宏大承諾的領域裡，PsiQuantum之所以受到關注，主要有兩個原因：一是它幾乎從成立之初就將目標鎖定在大規模、實用化的量子計算機上；二是它已經和大型晶片製造商合作，打算直接利用現有的半導體製造系統來生產量子計算系統。
這套策略正在獲得大量資源支持。去年，PsiQuantum 完成10 億美元融資，並在芝加哥啟動了一項與量子計算評估計劃第三階段的公司之一，同時也參與了澳大利亞建設第二個基地，計劃讓該設施在2027 年具備運行條件，並可以運行硬體的安裝狀態。此外，PsiQuantum 也是僅剩的四分之一進入美國政府一項嚴格量子運算評估計畫第三階段的公司之一，另一家是微軟。這個計畫要確定哪些量子運算公司真正有可能打造出可用的系統。
只是，判斷PsiQuantum 能否實現現承諾，不看一個臨床試驗結果那麼直接。量子運算的進展通常是漸進式的，關鍵技術比較困難獨立驗證公司內部真實的工程進展。現在，PsiQuantum 正走向必須自證的階段：多年閉門研發和數億美元投入，最終會證明這家公司能夠造出一個真正有用的量子計算機，還是讓這個願景落空。最快答案細節稍後才能見分曉。
01 光子的賭注
PsiQuantum 的四位創始人之一Terry Rudolph 說話輕聲細語，留著一頭略顯凌亂的長髮。他出生在馬拉維，直到拿到了第一個物理學位後才發現，自己竟然是物理學家Erwin Schrödinger 的外孫。後來，他自己出版了一本150 頁的量子計算科普讀物，想講給青少年聽。 PsiQuantum的公關人員曾送記者雜誌簽名版其實，還開玩笑說：「我們沒期待真有人讀完。」不過，這本書確實兼具趣味性和吸引力。
大約從2014年起，Rudolph和幾位共同創辦人逐漸相信，他們在理論研究中發現的可能性，或許真能在現實機器裡實現。人登機離開學術崗位，按照各自專長分工：Rudolph主攻理論，Mark Thompson負責工程研發，Pete Shadbolt推動技術規模化，Jeremy O’Brien制定公司願景和年輕人尋找。 O’Brien曾長期就任CEO，直到今年2月卸任，接棒的是半導體產業資深人士Victor Peng。
現代科學至今為止大量的東西無法準確預測。人類還無法可靠判斷哪一個鋰電池會起火，也難以準確計算太空船關鍵零件的腐蝕。這背後的原因不只是系統複雜，更關鍵的是，它們最終要服從量子力學的支配。亞原子粒子不像宏觀物體有明確的位置和速度，而是有多種可能性的量子狀態，這種不確定性影響進一步原子和分子的。
一個世紀前，薛丁格就提出了描述這種量子狀態的數學方法，但一旦把這些被困擾的現實世界的複雜系統放在上面，計算量就會急劇膨脹，甚至是今天最強大的傳統計算機也難以精確模擬。於是，科學家只能接近近似計算、不完全的模擬，或是用動物實驗來彌補這條道缺口。
圖｜PsiQuantum 材料實驗室內用於製備鈦酸動力學薄膜的真空沉積設備（資料來源：麻省理工科技評論）
1980年代，Richard Feynman、David Deutsch等物理學家開始設想：能否創造一個全新的機器，直接利用量子規律來計算？這台機器不再依賴「開」和「關」兩態的晶體管，而是控制一個量子態的探針完成侵犯，最後再測量結果。
如果量子本身遵循量子規律，那麼用量子系統去量子模擬系統，或許能夠第一次讓物理和化學模擬真正貼近現實。這將是設計新藥、新材料以及一切解決受量子力學支配問題的重要工具，也可能為計算方式帶來深刻的變革。
在魯道夫看來，每一次讀懂自然法則的重大突破，往往都會催生新的技術工具：「我不認為工業革命發生在人類學會計算和模擬牛頓力學、熱力學以及經典電磁學之後，只是巧合。只要我們擁有更強的計算、模擬和理解能力，就會造出由此而相信生的不可思議的計算機。」他的量子機器也帶來類似的量子電腦。
量子運算領域長期面臨一個核心難題：哪一種量子系統才夠穩定、可控制，能拿來當量子位元用。候選方案包括離子、原子和人工製造的特殊量子結構，但量子系統極為脆弱，任何介入都可能讓態崩潰縮成某種確定狀態。
如果當崩潰發生在計算過程中，而不是最終讀取時，就會產生錯誤。錯誤一旦累積，量子電腦就給出可靠的答案。這有點像早期航空技術，工程師當時也拿不準飛機機翼該固定不動，像鳥翅一樣振動。
如今，量子計算領域同樣沒有定論。 Google和IBM 押注超導量子位元，以鋁類金屬做超導電路；英特爾選擇利用電子；PsiQuantum 押注超導量子比特，構成光的基本粒子。
「光子有很多優勢，」魯道夫說。其中最重要的一點是，光子能長時間維持量子狀態。宇宙微波背景輻射裡的光子，可能已經這樣維持了約億年的狀態。
但光子的挑戰也很明顯。它們運動極快、容易曝光，更麻煩的是，兩個光子通常會直接穿越宇宙，不會產生回應。可量子運算需要量子位元之間的相互影響，這讓光子一度被認為根本不適合做運算單元，甚至讓科學家懷疑基於光子的量子運算能力無法實現。
2001年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室和昆士蘭大學的研究人員發現，讓光子穿透由分束器和光圈組成的網絡，在效果上卻可以模擬出光子之間的交互作用。這項研究改變了整個領域，PsiQuantum的目標就是把預設理論變成現實。
但首先要解決尺度問題。早期方案裡的光子量子計算機，可能會大到覆蓋整個加州。 2010年代初，當時還是魯道夫博士生的梅賽德斯吉梅諾-塞哥維亞，在差點成為職業步槍家之後，提出了一種能大幅縮小系統尺度的方法。
此後，PsiQuantum逐漸摸索出自己的技術路線：先用雷射光子並讓它們「糾纏」。在這種量子現象裡，粒子不再擁有各自獨立的狀態，而是共享同一個整體量子態；隨後光子進入由量子閘構成的複雜網路完成計算產生；最後系統讀取光子的量子狀態，同時不斷追蹤並修正計算過程中出現的錯誤。
這套流程真正的困難在於，每一步都成功執行數百萬次。這已經不是一個普通的工程挑戰，迄今已難以克服的技術障礙。同時，PsiQuantum還得建立起完整的供應鏈，例如製造具備特殊性能的新材料，才能讓單一光子沿著預設路徑穩定傳輸。
02 低溫、材料與規模化
為了展示這套系統背後的工程量，PsiQuantum 曾經帶人參觀其位於美國加州門洛帕克的實驗設施。這裡是SLAC 國家加速器實驗室駐地，曾參與比爾獎級研究，並於1968 年發現夸克的研究中心。夸克是構成質子和中子的基本粒子。
，PsiQuantum 選在這裡落腳，是看中了SLAC 大型低溫設備裡的液態氦供應。液態氦被用來把量子電腦機櫃冷卻到接近深空的溫度。目前這些機櫃的運作溫度約為華氏零下456 度。 PsiQuantum 希望未來能把溫度稍微提高到華氏零下452 度左右，如此，這對量子設備而言仍是極度低溫。
圖｜PsiQuantum 的部分冷卻系統（資料來源：麻省理工科技評論）
大多數量子運算路線都需要讓整台系統達到超導溫度，因此運作成本很大一部分都花在冷凍上。光子隊列的優勢就在這裡顯現出來：它並不需要整台機器保持低溫，只需要在計算結束時檢測單個光子的光子，才需要極低溫環境，而且這個溫度也略與其他技術路線的要求。
PsiQuantum表示，公司打算把美國《晶片與科學法案》提供的1億美元資金裡的一部分，投入此類的研發。
最初，PsiQuantum 只是暫時借用SLAC 的液態氦冷凍設施；如今，該公司已經在美國加州米爾皮塔斯的測試中心建造了自己的冷凍系統，並計劃在澳洲的生產基地部署更大規模的低溫系統。對量子運算公司來說，這樣的液態氦冷凍設施是最昂貴的基礎設施之一，也將消耗掉那10 億美元融資中相當可觀的部分。
除了低溫系統，PsiQuantum也解決了材料製造的問題。在聖荷西的實驗室裡，工程人員正在製造一種藍色晶體材料，如圖鈦酸負極（barium titanate）。
圖｜鈦酸動力學（來源：麻省理工科技評論）
PsiQuantum看重這種材料，是因為它能用極低的電能輸入，快速且穩定地控制光子的傳輸，同時把對光子的干擾降到最低。但鈦酸動力學的製造過程相當艱難：PsiQuantum成立時，根本沒有能力大規模供應這種材料的產業鏈。經過權衡，公司最後自己做了。魯道夫稱這是“一個令人驚嘆的決定”，因為這意味著決定投入巨額資金，從零建立起自己的製造能力。
在實驗室裡，技術人員把製造材料所需的基礎元素倒進料斗，再通過類似大型壓力鍋的設備處理，材料並最終經過加熱、汽化，在晶圓表面形成一層薄薄的晶體膜。早期，做出晶圓晶圓要花約12小時；現在，PsiQuantum表示每天已經能簡單多片晶圓。
這些晶圓之後會被送到位於美國紐約州馬耳他的晶片製造商GlobalFoundries，由晚上生產PsiQuantum 的量子晶片。
PsiQuantum希望這套系統繁瑣的供應鏈，最終能變成它相對於競爭對手的優勢。這套系統其實很像現有矽光子晶片（silicon photonics）的升級版本，矽光子晶片同樣靠光來供貨訊息，目前已經在資料中心裡使用。
這意味著，一旦PsiQuantum能夠實現量子晶片的大規模生產，公司或許可以直接借用現有設施的半導體製造工具和基礎設施，不必從頭搭建一整條產業鏈。但擁有一塊能組裝起來的晶片，不代表能輕鬆擴展成一個由數千塊晶片組成的大系統。所以，PsiQuantum正透過分階段測試來驗證推進。目前，該公司在米爾皮塔斯的測試設施已完成三台機櫃之間的連接，每台機櫃多達250台塊晶片。
下一步，公司需要進一步擴大系統規模，驗證糾錯技術在系統擴充後能不能繼續穩定運作。按計劃，澳洲基地的冷凍系統將在年底前後完成部署，屆時PsiQuantum希望能把約100個機櫃連接起來，之後才會推進更大規模的測試，嘗試運行那些公司曾致力於解決重大科學問題的量子演算法。
這份時間表本身也存在爭議。阿聯酋多篇報道稱，2027 年將是PsiQuantum 在澳洲獲得的第一台完整規模量子電腦的節點，但該公司對此做了闡述，認為嬰兒理解有誤。
PsiQuantum承諾的只是讓澳洲設施在明年底前達到可運作狀態，如果冷凍系統安裝、完畢安裝具備硬體的條件，並不等於就能擁有一台達到目標規模的量子電腦。在量子運算這個領域，技術進展本就充滿了不確定性，而企業公佈的時間表又常成為評判其成敗的重要依據，這一層差異因此並不無關緊要。
03 外部的驗證與真正的用武之地
要尋找一個最有資格判斷PsiQuantum能否成功成功的外部觀察者，美國國防可能是其中之一。美國國防高級研究計劃局（DARPA）近年來一直在推進一項評估計劃，想弄清楚提出宏觀大規模子運算願景的公司裡，究竟有哪些可能實現的目標。
過去一年半里，這個專案負責人對量子運算未來的態度明顯更加樂觀了。曾負責該項目、自稱“量子懷疑論者”的Joe Altepeter，在2025 年3 月說：“相比過去10 年裡的任何時候，我現在都更加樂觀。”
今年，接棒的專案負責人Micah Stoutimore 在早些時候聲明裡說：「現在看來，到2033 年，某家公司推出一台實用規模量子電腦似乎已經很有可能。」實用規模量子電腦指的是一個產生的價值能力超過自身建造和運行成本的機器。 DARPA 2023 年開始評估PsiQuantum 的技術系統，去年將其納入第三階段測試，就是系統性判斷今年這家公司提出的技術路線是否真正可行。
但對量子運算產業中的大多數人來說，PsiQuantum 仍然像個黑盒子。
「外部人士很難判斷，」德州大學奧斯汀分校的理論電腦科學家Scott Aaronson 說。他長年經營一個關注量子運算產業動態的部落格。相比之下，Google 和Quantinuum 正在走更開放的路線。這些公司長期以來持續發表研究成果，展示晶片和系統一步的改進，也公開建構大規模量子電腦所需的工程基礎。
PsiQuantum 選的是另一條路。他們幾乎從一開始就將目標鎖定在商業化的終點，匡造了一台擁有100 萬量子比特的機器。一般認為，只有達到這個規模，量子電腦才有可能解決電腦傳統目前無法處理的問題，PsiQuantum 也常把這個工業級目標來凸顯自己的變異性。
圖｜PsiQuantum打造大規模量子電腦（資料來源：麻省理工科技評論）
當然，追求大規模量子計算的不只如此。 IBM在2020年公佈了自己的量子運算路線圖，此後持續擴大系統規模。該公司最初計劃在2028年實現配備量子運算能力的大型量子系統，這個目標下眼似乎已經延後到了2030年。
除了造機器本身，PsiQuantum的另一個重心，是幫產業界事先想清楚未來該如何用這項技術。該公司已宣布和多家企業合作，其中包括希望用量子計算做材料設計的國防企業洛克希德·馬丁、想把它用在電池研發上的汽車製造商奔馳，以及航空製造企業空中巴士。
這些企業現在都還沒有真正可用的量子計算機，但PsiQuantum 不覺得問題。 Philipp Ernst 打了個遊戲開發的比方：「索尼或後年可能推出PlayStation 6，而人們現在已經開始為它開發遊戲了。從原則上說，非常類似。」這個比方雖然簡單，但也不是完全沒有道理。即使運行量子硬體還沒有造出來，研究人員仍可事先開發出解決具體科學問題的量子演算法。
透過PsiQuantum 的設想，公司內部及客戶企業裡的量子資訊專家，會共同把現實世界的設計需求轉化成量子演算法。例如，賓士想優化電動車電池效能，研究人員就得把這個工程問題轉譯成量子電腦能處理的形式。
為此，PsiQuantum 開發了一套叫做Construct 的軟體工具，讓企業能夠設計未來可能在量子電腦上的演算法。跑量子運算的未來，很大程度取決於這些演算法。人們常說量子電腦能夠“加速所有計算”，但事實並非如此。他們只擅長處理某些特定類型的問題。要讓量子解決一個問題，首先得係統把它轉化為適合量子處理的演算法。
引人注目的眩暈已經把整個職業生涯都投在了這些演算法上，儘管真正能運行它們的量子電腦還遠遠不夠。這些演算法的核心，是利用量子力學法則去機械關係機率，完成傳統做不到的侵犯。
其中最重要的例子是Shor 演算法，由理論計算機科學家Peter Shor 在1994 年提出，也是各國政府高度關注量子計算的重要原因。理論上，Shor 演算法能夠破解目前網路廣泛使用的加密體系，包括信用卡資訊以及軍事通訊依賴的加密方式。
圖｜PsiQuantum 晶片測試（資料來源：麻省理工科技評論）
目前數位世界之所以還算安全，一個重要原因就是還沒有一個夠強大的量子電腦能夠運行這個演算法。同時，安全研究人員已經開始開發能夠抵禦量子運算攻擊的新型加密技術。
PsiQuantum 正在研究的問題是：如果未來真的擁有了足夠規模的量子系統，運行演算法究竟要花多久時間。
讀報知天下事：這家公司想用光打造下一代量子計算機