Xanadu：从光量子计算机到通用量子软件生态

在量子计算领域，不同公司选择了不同的技术路线：IBM、Google 等公司主要研究超导量子比特，IonQ、Quantinuum 等公司采用离子阱，而加拿大公司 Xanadu 选择了另一条路线——使用光子构建量子计算机。

Xanadu 不仅研发光量子硬件，也长期投入量子编程软件、编译器、高性能模拟器和开发者教育。它早期以 Strawberry Fields、Xanadu Quantum Cloud 等光量子项目为中心，后来逐渐将软件重心调整为 PennyLane、Catalyst 和 Lightning，形成了一套更通用、更开放的量子软件生态。

本文将从公司业务、硬件发展和开源项目演进三个方面，介绍 Xanadu 的主要产品与技术方向。

Xanadu 是一家什么样的公司？

Xanadu 成立于 2016 年，总部位于加拿大多伦多。公司的目标是构建“对所有人有用且可获得的量子计算机”。

与依赖超低温制冷的部分量子计算路线不同，Xanadu 使用光子作为量子信息载体，并围绕以下技术建设量子计算系统：

从业务结构看，Xanadu 可以分为三个主要方向。

1. 光量子硬件

Xanadu 的长期目标是构建可扩展、可联网并具备容错能力的通用光量子计算机。

公司并不是只制造单块光子芯片，而是同时研发光源、芯片、探测器、控制系统、光纤网络和模块化机架，希望最终将大量光量子模块连接成类似“量子数据中心”的系统。 

2. 量子软件

Xanadu 是量子计算行业中软件投入较早的公司之一。它开发了：

• 光量子编程框架； 
• Gaussian Boson Sampling 数学工具； 
• 通用量子编程平台； 
• 量子—经典混合程序编译器； 
• CPU、GPU 和超级计算机模拟器； 
• 量子编程教程和开发者社区。 

其中，PennyLane 已成为 Xanadu 当前最重要的软件产品。

3. 量子应用与产业合作

Xanadu 也与企业和研究机构合作，探索量子计算在以下领域的应用：

• 电池材料与量子化学； 
• 药物和分子模拟； 
• 量子机器学习； 
• 优化与数据分析； 
• 人工智能； 
• 航空航天和先进材料。 

现阶段，这些工作更多是为未来容错量子计算机准备算法、资源估算和应用场景。 

从 X8、Borealis 到 Aurora：Xanadu 的硬件路线

Xanadu 的硬件发展可以通过三个代表性系统来理解。

X-Series：将光量子计算机接入云端

2020 年前后，Xanadu 推出了 X8、X12 等 X-Series 系统，并通过 Xanadu Quantum Cloud 向研究人员开放。

这些设备主要基于连续变量光量子技术。用户可以使用 Strawberry Fields 编写线路，再通过云客户端提交任务。

X-Series 的意义在于，它证明了光量子计算机可以作为云服务提供给外部开发者，也建立了 Xanadu 早期的“软件—云平台—光量子硬件”完整链路。

Borealis：展示量子计算优势

2022 年，Xanadu 发布了 Borealis。

Borealis 是一台面向 Gaussian Boson Sampling 的光量子计算机，使用 216 个压缩态模式完成采样实验，并展示了量子计算优势。它也曾通过云端向公众开放。

Borealis 的重点并不是运行任意通用量子程序，而是通过特定采样问题证明大规模光量子系统能够在某些任务上超越经典计算方法。

Aurora：转向模块化、网络化和通用计算

2025 年，Xanadu 发布 Aurora。该系统由四个相互连接的模块化机架组成，包含 35 块光子芯片和约 13 千米光纤。

与主要面向采样实验的 Borealis 不同，Aurora 更强调：

• 模块化； 
• 光子网络互联； 
• 系统扩展能力； 
• 通用量子计算组件； 
• 面向容错计算的工程路线。 

Aurora 代表 Xanadu 的硬件重点从“展示光量子采样能力”转向“建设可扩展、网络化的通用光量子计算机”。

此后，Xanadu 又展示了芯片上的抗误差光量子比特，并持续推进光损耗降低、芯片制造、探测器和先进封装技术。可以看出，公司当前硬件研发的核心目标已经非常明确：面向容错和实用规模的光量子计算系统。

Xanadu 早期的软件项目

Xanadu 早期的软件生态主要围绕自有光量子硬件和连续变量量子计算建设。

Strawberry Fields

Strawberry Fields 是 Xanadu 早期最具代表性的开源项目。

它是一个面向连续变量光量子计算的 Python 框架，支持：

• 光学模式和量子态；
• 压缩、位移、相位旋转和分束器；
• Fock、Gaussian 和 Bosonic 模拟后端；
• 光子数、阈值和 Homodyne 测量；
• Gaussian Boson Sampling；
• 光学线路编译；
• 通过 RemoteEngine 运行云端设备。

Strawberry Fields 曾同时承担编程框架、模拟器、编译器和硬件 SDK 等多种职责，是 Xanadu 早期光量子软件体系的中心。

目前，该项目已经归档，不再作为 Xanadu 的主要开发平台。

The Walrus

The Walrus 是连续变量量子计算和 GBS 的底层数学库，主要提供：

• Hafnian；
• Loop Hafnian；
• Torontonian；
• Gaussian state 概率；
• 光子数和阈值采样；
• 高斯矩阵与辛矩阵分解；
• 图匹配和组合数学工具。

The Walrus 并不是完整的量子编程平台，而更像光量子算法的数学计算引擎。

该项目目前没有归档，仍然是 GBS 和高斯量子态研究中的专业工具。

MrMustard

MrMustard 是 Xanadu 面向量子光学推出的可微分仿真工具。 它支持：

• Fock、Bargmann、相空间和 Quadrature 表示；
• 高斯态与非高斯态；
• 光学门、信道和探测器；
• NumPy 和 JAX 数值后端；
• 自动微分；
• 光学参数优化。

与 Strawberry Fields 相比，MrMustard 更聚焦于量子光学对象、数学表示和可训练参数，而不是云端硬件任务。

该项目目前仍在维护。

Blackbird 与 XIR

Blackbird 是 Xanadu 早期的光量子线路描述语言。Strawberry Fields 可以将 Python 程序转换为 Blackbird 文本，再提交到云平台或设备端。

XIR 则是在此基础上探索更通用的量子中间表示，支持自定义门、可观测量、输出和程序组合。

Blackbird 和 XIR 目前没有被正式归档，但已经不再是 Xanadu 软件体系的主要方向。随着 Catalyst 的发展，Xanadu 的编译基础设施逐渐转向 MLIR、LLVM 和 QIR 等更成熟的编译技术。

Xanadu Cloud Client

Xanadu Cloud Client，简称 XCC，是旧 Xanadu Quantum Cloud 的 Python 和命令行客户端。

它负责：

• API Key 和 Token；
• 设备查询；
• 云任务提交；
• Job 状态查询；
• 任务取消；
• 结果获取。

随着 Xanadu Quantum Cloud 停止服务，XCC 已经归档。它与 Strawberry Fields RemoteEngine 一起，成为 Xanadu 早期云端光量子执行体系的历史组成部分。 

为什么 Xanadu 调整了软件重心？

早期 Xanadu 软件体系主要服务于自有光量子设备：

Strawberry Fields

→ Blackbird

→ XCC

→ Xanadu Quantum Cloud

→ X-Series / Borealis

这套模式适合公司早期展示和开放光量子硬件，但存在明显限制：

1. 软件接口与自有光子设备绑定较深；
2. Strawberry Fields 同时承担编程、模拟、编译和云执行，职责较多；
3. 旧云平台停止后，RemoteEngine 和 XCC 的使用场景消失；
4. 量子行业开始更加重视跨硬件兼容、自动微分、编译优化和高性能计算；
5. 大规模量子应用需要编译完整的量子—经典工作流，而不只是单条线路。

因此，Xanadu 并不是简单地用某一个新项目替代 Strawberry Fields，而是将原来的能力拆分到不同方向：

这一变化意味着，Xanadu 的软件重心已经从“自有光量子硬件 SDK”转向“面向多种量子硬件的通用软件平台”。 

Xanadu 当前的主要产品

根据 Xanadu 当前的产品布局，其主要产品包括 Aurora、PennyLane、Catalyst、Lightning 和 PennyLane Codebook。

Aurora

Aurora 是 Xanadu 当前最具代表性的光量子硬件系统。

它展示了模块化机架、光子芯片和光纤网络如何组合成可扩展的量子计算架构，是 Xanadu 面向通用、网络化和容错光量子计算的重要里程碑。

PennyLane

PennyLane 是 Xanadu 当前软件生态的中心，也是一个开源 Python 量子编程平台。

它主要提供：

• 统一量子线路接口；
• Device 设备抽象；
• 多种模拟器和硬件插件；
• 量子自动微分；
• 量子机器学习；
• 量子化学；
• 线路变换和资源估算；
• NumPy、JAX、PyTorch 和 TensorFlow 集成。

PennyLane 的核心理念是“编写一次，在不同设备上运行”。用户可以在尽量少修改代码的情况下，在模拟器、GPU、云平台和真实量子硬件之间切换。

Catalyst

Catalyst 是与 PennyLane 集成的量子—经典混合程序编译器。

传统量子 SDK 通常逐次解释和执行线路，而 Catalyst 希望编译完整工作流，包括：

• 量子线路；
• 经典循环；
• 条件分支；
• 中途测量；
• 梯度；
• 变分优化过程。

Catalyst 基于 MLIR、LLVM 和 QIR 构建，代表 Xanadu 当前在量子编译器和运行时方向上的重点投入。

Lightning

Lightning 是 PennyLane 的高性能模拟器系列。

它使用 C++ 实现，并支持： 

• 多核 CPU；
• NVIDIA GPU；
• 不同处理器架构；
• 云计算；
• 超级计算机；
• 高效量子梯度。

Lightning 让 PennyLane 程序能够从普通电脑扩展到 GPU 集群和超级计算平台。Xanadu 也已经与 Oak Ridge National Laboratory 合作，使 PennyLane 和 Lightning 能够在 Frontier 超级计算机上运行。

PennyLane Codebook 与 Demos

PennyLane Codebook 是交互式量子编程学习平台，Demos 则是量子算法、量子机器学习、量子化学和最新研究成果的示例库。

它们承担的不只是文档功能，也帮助 Xanadu 建设开发者社区，让更多研究人员能够学习和使用 PennyLane。

从早期光量子工具到完整软件栈

Xanadu 的软件演进可以概括为三个阶段：

第一阶段：围绕自有光量子硬件

主要项目是 Strawberry Fields、Blackbird、The Walrus、XCC 和 Xanadu Quantum Cloud。

目标是让用户能够编写光量子程序，并在 X-Series 和 Borealis 等设备上运行。

第二阶段：建立通用量子编程平台

PennyLane 将软件能力扩展到不同量子硬件和模拟器，并以自动微分、量子机器学习和设备插件作为核心特色。

第三阶段：面向编译、HPC 和容错计算

Catalyst 和 Lightning 开始承担编译器、高性能模拟和异构执行能力。

软件目标也从“方便地编写量子线路”扩展到： 

• 编译完整量子—经典程序；
• 估算大规模算法资源；
• 在 GPU 和超级计算机上运行；
• 为未来容错量子硬件准备应用和工具链。

总结

Xanadu 是一家同时研发光量子硬件和量子软件的公司。

在硬件方面，它先后推出 X-Series、Borealis 和 Aurora，从云端光量子设备、量子计算优势实验，逐步走向模块化、网络化和容错光量子计算。

在软件方面，它早期以 Strawberry Fields、Blackbird 和 XCC 为中心，为自有光量子设备提供编程、序列化和云任务能力；随着旧云平台退出，这些项目中的部分仓库被归档，软件重心转向更加通用的产品组合：

• PennyLane：量子编程与算法
• Catalyst：量子—经典程序编译
• Lightning：高性能模拟
• Codebook / Demos：教育与开发者生态

与此同时，The Walrus 和 MrMustard 继续保留 Xanadu 在 Gaussian Boson Sampling、连续变量量子计算和量子光学仿真方面的技术积累。

从整体路线看，Xanadu 已经不只是一个光量子硬件制造商。它正在尝试构建一套从光子芯片、量子计算机，到编程框架、编译器、高性能模拟器和开发者生态的完整量子计算技术栈。

参考资料

[Xanadu 官方网站]

[Xanadu 公司介绍]

[Aurora 系统介绍]

[PennyLane 产品介绍]

[Lightning 产品介绍]

[XanaduAI GitHub]

[PennyLaneAI GitHub]