中國“九章四號”光量子計算原型機再破世界紀錄

2026-05-14 來源：電子工程專輯

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國際知名學術期刊《自然》（Nature）今日在線發表中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、張強、劉乃樂研究團隊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共同完成的最新成果：可編程量子計算原型機“九章四號”成功研制，首次操縱和探測高達3050個光子的量子態，再度刷新光量子信息技術世界紀錄，建立了當前國際上最強的“量子計算優越性”。

核心性能：25微秒完成超算10的42次方年任務

“九章四號”針對“高斯玻色取樣”（Gaussian Boson Sampling）這一特定數學問題展示了壓倒性算力優勢。據新華社報道，該原型機生成一個復雜數據樣本僅需25微秒，而即便動用目前全球最快的超級計算機El Capitan及最優經典算法，完成同樣任務也需要超過10的42次方年。

經實驗測算，“九章四號”的量子優勢比達到10的54次方量級。換言之，在求解該特定問題上，其速度比當今地球上最強大的經典超級計算機快了超過億億億億億億倍。

關鍵指標實現數量級跨越

與2023年“九章三號”探測255個光子相比，“九章四號”將光子操控規模提升了整整一個數量級。其核心參數包括：

1024個量子壓縮態輸入：作為光量子計算的“高能燃料”，為構建復雜量子糾纏提供基礎；
8176個模式：光子可在多達8176個路徑/維度中穿梭干涉，形成龐大的計算狀態空間；
3050個光子：即3000余個量子比特，標志著人類操控微觀量子世界的規模實現跨越式升級。

實驗數據顯示，在最大規模測試組（L1024）中，“九章四號”平均光子點擊數達到2207個，最高探測到3050個光子。

最大技術突破：可編程時空混合編碼

光量子計算走向更大規模長期受困于“光子損耗”難題——光學網絡越復雜，光子越容易“跑丟”，從而削弱計算能力。此次團隊首創“可編程時空混合編碼”架構，讓光子在時間與空間兩個維度上同時發生干涉，實現了連接度的立方級擴展，而所需物理資源僅線性增長。

具體而言，整套光路由三級16模干涉儀組成，中間以兩組光纖延遲環陣列連接（短延遲環覆蓋τ至15τ，長延遲環覆蓋16τ至255τ，τ為50納秒），最終將1024個高效率壓縮態光場集成到8176模式線路中。該架構配合92%效率的光學參量振蕩器光源、超過40分貝的噪聲抑制比，以及多套主動相位鎖定系統（精度達納米級），使系統可連續穩定運行數十小時。

驗證與經典模擬的鴻溝

為確證“九章四號”超越經典計算機，研究團隊采用貝葉斯檢驗、高階相關函數分析、矩陣乘積態（MPS）算法及樹寬采樣器（Treewidth）等多種經典模擬方法進行交叉驗證。結果顯示，即便將目前最強大的經典模擬器參數推至極限（如樹寬參數設為161），其近似結果與“九章四號”的真實實驗數據仍存在巨大偏差。對于L1024實驗組，若要將矩陣乘積態的截斷誤差降至足夠低，所需鍵維度將超過10的21次方，已超出任何現有超級計算機的存儲能力。