中國科大成功研制“九章四號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、張強(qiáng)、劉乃樂等，聯(lián)合濟(jì)南量子技術(shù)研究院、山西大學(xué)、清華大學(xué)、上海人工智能實(shí)驗(yàn)室、嶗山實(shí)驗(yàn)室、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心等單位，成功研制出1024個(gè)量子壓縮態(tài)輸入8176模式的可編程量子計(jì)算原型機(jī)“九章四號(hào)”，首次操縱和探測高達(dá)3050個(gè)光子的量子態(tài)。“九章四號(hào)”被應(yīng)用于高效求解高斯玻色采樣任務(wù)，其計(jì)算速度相比當(dāng)前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)El Capitan快10^54倍（即量子優(yōu)勢比為10^54），成功建立了國際上最強(qiáng)的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。論文于北京時(shí)間2026年5月13日發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》。

▲圖 1 九章四號(hào)原型機(jī)示意圖

量子計(jì)算利用量子疊加與糾纏特性，在特定問題上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的處理能力。“量子計(jì)算優(yōu)越性”指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)明確定義的數(shù)學(xué)問題上超越現(xiàn)有最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。它不僅驗(yàn)證了量子力學(xué)的計(jì)算潛能，也為檢驗(yàn)“擴(kuò)展的丘奇—圖靈論題”提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更為后續(xù)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的研制積累必要的可擴(kuò)展調(diào)控技術(shù)。“量子計(jì)算優(yōu)越性”是量子計(jì)算具備應(yīng)用價(jià)值的前提條件，也是當(dāng)前一個(gè)國家量子計(jì)算研究實(shí)力的直接體現(xiàn)。

在這一全球競爭中，2019年，谷歌聯(lián)合加州大學(xué)推出53比特超導(dǎo)處理器“懸鈴木”，率先宣稱實(shí)現(xiàn)優(yōu)越性。然而，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和上海人工智能實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家聯(lián)合團(tuán)隊(duì)隨后通過創(chuàng)新經(jīng)典算法，將同一任務(wù)在超算上的求解時(shí)間從一萬年壓縮至數(shù)十秒，同時(shí)在能耗上少15倍，全面打破了谷歌2019年的“量子霸權(quán)”宣稱，重新定義了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的邊界。

2020年，中國科大團(tuán)隊(duì)成功研制76光子的“九章”光量子計(jì)算原型機(jī) [Science 370, 1460 (2020)]，在國際上首次在光學(xué)體系中實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，量子優(yōu)勢比為10^5，同時(shí)克服了谷歌方案中依賴樣本數(shù)量的漏洞。次年，中國科大團(tuán)隊(duì)將光子數(shù)提升至113，推出可相位編程的“九章二號(hào)”，量子優(yōu)勢比達(dá)到10^10 [PRL 127, 180502 (2021)]；同時(shí)，中國科大團(tuán)隊(duì)56比特超導(dǎo)原型機(jī)“祖沖之二號(hào)” [PRL 127, 180501 (2021)]也宣告成功，使得中國成為全球唯一在兩條技術(shù)路線上均達(dá)到量子計(jì)算優(yōu)越性的國家。2023年，“九章三號(hào)”再將光子數(shù)刷新至255 [PRL 131, 150601 (2023)]，量子優(yōu)勢比進(jìn)一步提升到10^16，持續(xù)保持領(lǐng)先。

國際方面，加拿大Xanadu公司聯(lián)合美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，采用與“九章”相同的高斯玻色采樣技術(shù)，于2022年發(fā)布了216光子的“北極光”處理器，成為國際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系量子計(jì)算優(yōu)越性的團(tuán)隊(duì)。

▲圖 2 光量子計(jì)算的國際競爭態(tài)勢

“九章”系列專用量子計(jì)算原型機(jī)所執(zhí)行的高斯玻色采樣任務(wù)，不僅是展示量子計(jì)算優(yōu)越性的重要模型，還可用于生成容錯(cuò)量子計(jì)算所需的玻色糾錯(cuò)碼及大規(guī)模量子糾纏簇態(tài)。然而，在開發(fā)大規(guī)模量子處理器的過程中，由于編碼線路日益龐大復(fù)雜，不可避免的光子損耗一直嚴(yán)重制約著系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高效率的光參量振蕩器光源和時(shí)空混合編碼干涉儀，將1024個(gè)高效率壓縮態(tài)光場集成到一個(gè)時(shí)空混合編碼的8176模式線路中，實(shí)現(xiàn)了92%的光源效率和51%的系統(tǒng)總效率。該時(shí)空混合編碼架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了連接度的立方級(jí)擴(kuò)展，使得系統(tǒng)能夠在10^2461維的巨大希爾伯特空間中進(jìn)行采樣。這一系列創(chuàng)新使研究團(tuán)隊(duì)獲得了對(duì)高達(dá)3050個(gè)光子的操縱和探測能力，比之前最好結(jié)果提升超過10倍。

團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與當(dāng)前所有最先進(jìn)的經(jīng)典模擬方法進(jìn)行了對(duì)比基準(zhǔn)測試，特別是針對(duì)利用光子損耗而設(shè)計(jì)的矩陣乘積態(tài)算法。結(jié)果表明，“九章四號(hào)”生成一個(gè)樣本僅需 25微秒，而使用目前世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)“El Capitan”和目前最好的經(jīng)典算法，需要超過10^42年的時(shí)間，量子優(yōu)勢比達(dá)到10^54量級(jí)。“九章四號(hào)”成果代表了低損耗光量子處理器在規(guī)模和復(fù)雜度上的重大飛躍，進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

▲圖 3 九章四號(hào)相對(duì)目前最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的加速比

該論文共同第一作者是劉華亮、粟昊、鄧宇皓、龔思秋。該研究工作受到了國家重大科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院、安徽省、上海市、山西省和新基石基金會(huì)等的支持。

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