中國科大成功研制“九章四號”量子計算原型機

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、張強、劉乃樂等，聯合濟南量子技術研究院、山西大學、清華大學、上海人工智能實驗室、嶗山實驗室、國家并行計算機工程技術研究中心等單位，成功研制出1024個量子壓縮態輸入8176模式的可編程量子計算原型機“九章四號”，首次操縱和探測高達3050個光子的量子態。“九章四號”被應用于高效求解高斯玻色采樣任務，其計算速度相比當前全球最快的超級計算機El Capitan快10^54倍（即量子優勢比為10^54），成功建立了國際上最強的“量子計算優越性”。論文于北京時間2026年5月13日發表于國際權威學術期刊《自然》。

▲圖 1 九章四號原型機示意圖

量子計算利用量子疊加與糾纏特性，在特定問題上實現遠超經典計算機的處理能力。“量子計算優越性”指的是量子計算機在某個明確定義的數學問題上超越現有最強超級計算機。它不僅驗證了量子力學的計算潛能，也為檢驗“擴展的丘奇—圖靈論題”提供了實驗平臺，更為后續容錯量子計算機的研制積累必要的可擴展調控技術。“量子計算優越性”是量子計算具備應用價值的前提條件，也是當前一個國家量子計算研究實力的直接體現。

在這一全球競爭中，2019年，谷歌聯合加州大學推出53比特超導處理器“懸鈴木”，率先宣稱實現優越性。然而，中國科學技術大學和上海人工智能實驗室的科學家聯合團隊隨后通過創新經典算法，將同一任務在超算上的求解時間從一萬年壓縮至數十秒，同時在能耗上少15倍，全面打破了谷歌2019年的“量子霸權”宣稱，重新定義了“量子計算優越性”的邊界。

2020年，中國科大團隊成功研制76光子的“九章”光量子計算原型機 [Science 370, 1460 (2020)]，在國際上首次在光學體系中實現量子計算優越性，量子優勢比為10^5，同時克服了谷歌方案中依賴樣本數量的漏洞。次年，中國科大團隊將光子數提升至113，推出可相位編程的“九章二號”，量子優勢比達到10^10 [PRL 127, 180502 (2021)]；同時，中國科大團隊56比特超導原型機“祖沖之二號” [PRL 127, 180501 (2021)]也宣告成功，使得中國成為全球唯一在兩條技術路線上均達到量子計算優越性的國家。2023年，“九章三號”再將光子數刷新至255 [PRL 131, 150601 (2023)]，量子優勢比進一步提升到10^16，持續保持領先。

國際方面，加拿大Xanadu公司聯合美國國家標準與技術研究院，采用與“九章”相同的高斯玻色采樣技術，于2022年發布了216光子的“北極光”處理器，成為國際上第二個實現光學體系量子計算優越性的團隊。

▲圖 2 光量子計算的國際競爭態勢

“九章”系列專用量子計算原型機所執行的高斯玻色采樣任務，不僅是展示量子計算優越性的重要模型，還可用于生成容錯量子計算所需的玻色糾錯碼及大規模量子糾纏簇態。然而，在開發大規模量子處理器的過程中，由于編碼線路日益龐大復雜，不可避免的光子損耗一直嚴重制約著系統的可擴展性。

針對這一問題，研究團隊研發了高效率的光參量振蕩器光源和時空混合編碼干涉儀，將1024個高效率壓縮態光場集成到一個時空混合編碼的8176模式線路中，實現了92%的光源效率和51%的系統總效率。該時空混合編碼架構實現了連接度的立方級擴展，使得系統能夠在10^2461維的巨大希爾伯特空間中進行采樣。這一系列創新使研究團隊獲得了對高達3050個光子的操縱和探測能力，比之前最好結果提升超過10倍。

團隊將實驗結果與當前所有最先進的經典模擬方法進行了對比基準測試，特別是針對利用光子損耗而設計的矩陣乘積態算法。結果表明，“九章四號”生成一個樣本僅需 25微秒，而使用目前世界上最強大的超級計算機“El Capitan”和目前最好的經典算法，需要超過10^42年的時間，量子優勢比達到10^54量級。“九章四號”成果代表了低損耗光量子處理器在規模和復雜度上的重大飛躍，進一步鞏固了我國在光量子計算領域的世界領先地位。

▲圖 3 九章四號相對目前最快超級計算機的加速比

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、國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、安徽省、上海市、山西省和新基石基金會等的支持。

論文鏈接：