日前，国际权威学术期刊《自然》刊发了一项重磅成果——由中国科学技术大学潘建伟院士领衔，陆朝阳、张强、刘乃乐等学者组成的团队，联合济南量子技术研究院、山西大学、清华大学等多家国内科研机构，成功研制出1024个量子压缩态输入、8176模式的可编程量子计算原型机“九章四号”。
“九章四号”首次实现对高达3050个光子的量子态操纵与探测，这一成果再度刷新了光量子信息技术的世界纪录。
面对高斯玻色采样这一特定数学问题，当前全球最快的超级计算机“ElCapitan”在最优经典算法下，需要耗时超过10⁴²年。
而“九章四号”仅需25微秒——连一眨眼的千分之一都不到，量子优势比达到10⁵⁴量级，通俗地说，就是快了一百万亿亿亿亿亿亿倍，这不是常规意义上的“快了一点”，而是计算范式的颠覆。
一、什么是量子计算机？
量子计算机何以实现对超算的“降维打击”？答案在于底层计算逻辑的根本不同。
传统计算机使用经典比特，任何时刻都只能处于0或1之中的确定状态，如同在庞大迷宫中一次只能探一条岔路。
而量子计算机利用量子力学中的叠加原理，量子比特（qubit）可以同时处于0和1的叠加态，且量子比特数目每增加1个，可同时表征的计算状态就会翻倍——N个量子比特即可同时表征2^N种状态。
叠加态赋予量子计算机分身的本领，让其在同一瞬并行遍历海量计算路径。两者不是速度差距，而是“走迷宫”与“分身遍历迷宫”的本质差异。
在诸多技术路线中，“九章四号”属于光量子计算体系，以光子为量子比特的物理载体，通过对光子的量子操控和测量来实现计算任务。
二、“九章四号”凭什么这么强？
首次实现对3050个光子的量子态操纵与探测，是“九章四号”最直观的突破性指标。
作为参照，前代“九章三号”光子数仅为255，此次一举跃升超过10倍。但由于量子计算状态空间随光子数呈指数级增长，数字上10倍的提升对应的是远超10倍的算力增益。
这一跃升的背后，是三个核心技术指标的协同突破：
①1024个量子压缩态充当系统的“高能燃料”，普通光子如同汽油，压缩态光子则是经过特殊制备的“航空燃料”，其量子涨落被大幅压低，具备构建复杂量子纠缠的基础；
②8176个模式相当于一座拥有8176条岔路的超级三维迷宫，光子在其中穿梭、干涉并相互影响；
③3050个光子就是同时在迷宫中奔跑的“参赛选手”，规模直接决定计算状态空间的量级。
最为关键的技术突破，是团队首创的“可编程时空混合编码”架构。
在光量子计算领域，光子损耗长期制约系统规模的拓展——光路越复杂，光子越容易在半路“跑丢”，计算能力随之大幅衰减。
传统的应对思路是不断增加光学器件，结果是体积膨胀、损耗恶化。而时空混合编码架构让光子在时间与空间两个维度上同时干涉，在控制物理器件规模的前提下，极大提升了光路连通性。得益于此架构，系统光源效率达92%，总效率达51%，实现了连接度的立方级扩展。
在国际竞争层面，2019年谷歌超导处理器“悬铃木”率先宣称实现量子优越性，而后被中国团队用创新经典算法推翻，暴露出其技术漏洞。
从2020年“九章”76光子首次在光学体系中实现量子优越性，到2021年“九章二号”113光子、2023年“九章三号”255光子，中国不仅是唯一在光量子和超导两条技术路线均达成量子优越性的国家，更始终在光量子路线上保持世界领先。
此番“九章四号”以10⁵⁴量级的量子优势比再度卫冕全球最强量子计算优越性，进一步巩固了这一地位。
