國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）今日在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、張強(qiáng)、劉乃樂研究團(tuán)隊(duì)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(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心等單位共同完成的最新成果：可編程量子計(jì)算原型機(jī)“九章四號(hào)”成功研制，首次操縱和探測(cè)高達(dá)3050個(gè)光子的量子態(tài)，再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，建立了當(dāng)前國(guó)際上最強(qiáng)的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

核心性能：25微秒完成超算10的42次方年任務(wù)

“九章四號(hào)”針對(duì)“高斯玻色取樣”（Gaussian Boson Sampling）這一特定數(shù)學(xué)問題展示了壓倒性算力優(yōu)勢(shì)。據(jù)新華社報(bào)道，該原型機(jī)生成一個(gè)復(fù)雜數(shù)據(jù)樣本僅需25微秒，而即便動(dòng)用目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)El Capitan及最優(yōu)經(jīng)典算法，完成同樣任務(wù)也需要超過10的42次方年。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)算，“九章四號(hào)”的量子優(yōu)勢(shì)比達(dá)到10的54次方量級(jí)。換言之，在求解該特定問題上，其速度比當(dāng)今地球上最強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)快了超過億億億億億億倍。

關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)跨越

與2023年“九章三號(hào)”探測(cè)255個(gè)光子相比，“九章四號(hào)”將光子操控規(guī)模提升了整整一個(gè)數(shù)量級(jí)。其核心參數(shù)包括：

• 1024個(gè)量子壓縮態(tài)輸入：作為光量子計(jì)算的“高能燃料”，為構(gòu)建復(fù)雜量子糾纏提供基礎(chǔ)；

• 8176個(gè)模式：光子可在多達(dá)8176個(gè)路徑/維度中穿梭干涉，形成龐大的計(jì)算狀態(tài)空間；

• 3050個(gè)光子：即3000余個(gè)量子比特，標(biāo)志著人類操控微觀量子世界的規(guī)模實(shí)現(xiàn)跨越式升級(jí)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在最大規(guī)模測(cè)試組（L1024）中，“九章四號(hào)”平均光子點(diǎn)擊數(shù)達(dá)到2207個(gè)，最高探測(cè)到3050個(gè)光子。

最大技術(shù)突破：可編程時(shí)空混合編碼

光量子計(jì)算走向更大規(guī)模長(zhǎng)期受困于“光子損耗”難題——光學(xué)網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，光子越容易“跑丟”，從而削弱計(jì)算能力。此次團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)“可編程時(shí)空混合編碼”架構(gòu)，讓光子在時(shí)間與空間兩個(gè)維度上同時(shí)發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)了連接度的立方級(jí)擴(kuò)展，而所需物理資源僅線性增長(zhǎng)。

具體而言，整套光路由三級(jí)16模干涉儀組成，中間以兩組光纖延遲環(huán)陣列連接（短延遲環(huán)覆蓋τ至15τ，長(zhǎng)延遲環(huán)覆蓋16τ至255τ，τ為50納秒），最終將1024個(gè)高效率壓縮態(tài)光場(chǎng)集成到8176模式線路中。該架構(gòu)配合92%效率的光學(xué)參量振蕩器光源、超過40分貝的噪聲抑制比，以及多套主動(dòng)相位鎖定系統(tǒng)（精度達(dá)納米級(jí)），使系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)十小時(shí)。

驗(yàn)證與經(jīng)典模擬的鴻溝

為確證“九章四號(hào)”超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，研究團(tuán)隊(duì)采用貝葉斯檢驗(yàn)、高階相關(guān)函數(shù)分析、矩陣乘積態(tài)（MPS）算法及樹寬采樣器（Treewidth）等多種經(jīng)典模擬方法進(jìn)行交叉驗(yàn)證。結(jié)果顯示，即便將目前最強(qiáng)大的經(jīng)典模擬器參數(shù)推至極限（如樹寬參數(shù)設(shè)為161），其近似結(jié)果與“九章四號(hào)”的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍存在巨大偏差。對(duì)于L1024實(shí)驗(yàn)組，若要將矩陣乘積態(tài)的截?cái)嗾`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(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力。

應(yīng)用前景：從專用模擬走向通用計(jì)算

當(dāng)前，“九章”系列屬于極為強(qiáng)大的專用量子模擬機(jī)，核心擅長(zhǎng)解決高斯玻色取樣問題。該問題短期內(nèi)可用于圖像識(shí)別、圖論計(jì)算（如稠密子圖發(fā)現(xiàn)，在社交網(wǎng)絡(luò)分析、金融風(fēng)險(xiǎn)控制、生物信息學(xué)等領(lǐng)域具備潛在價(jià)值）；長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，其生成的數(shù)據(jù)可用于構(gòu)造玻色糾錯(cuò)碼，是通往容錯(cuò)光量子計(jì)算硬件與通用量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵路徑。

研究團(tuán)隊(duì)指出，“九章四號(hào)”在規(guī)模與低損耗上的雙重領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，為構(gòu)建“萬億量子模式的三維簇態(tài)”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該原型機(jī)展示的32路時(shí)間片與16路空間模式混合編碼能力，具備向更大規(guī)模擴(kuò)展的潛力，其模塊化設(shè)計(jì)也為未來的拼接與互聯(lián)提供了可行性。

九章系列演進(jìn)與中國(guó)量子計(jì)算布局

回顧“九章”系列發(fā)展脈絡(luò)：

2020年：“九章”原型機(jī)，76個(gè)光子，首次在光學(xué)體系實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性；

2021年：“九章二號(hào)”，113個(gè)光子，實(shí)現(xiàn)可相位編程；

2023年：“九章三號(hào)”，255個(gè)光子；

2026年：“九章四號(hào)”，3050個(gè)光子，量子優(yōu)勢(shì)比達(dá)10^54。

與此同時(shí)，中國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算路線上也先后推出“祖沖之二號(hào)”“祖沖之三號(hào)”，使中國(guó)成為全球唯一在光量子與超導(dǎo)量子兩條技術(shù)路線上均實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。2025年底，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)還在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域取得“低于閾值，越糾越對(duì)”的里程碑式突破。

國(guó)際學(xué)界普遍認(rèn)為，量子計(jì)算發(fā)展需經(jīng)歷三個(gè)階段：實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性、研制可操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)、研制可編程通用量子計(jì)算機(jī)。此次“九章四號(hào)”的成果，標(biāo)志著中國(guó)在第一階段持續(xù)鞏固全球領(lǐng)跑地位，并為第二、三階段的技術(shù)迭代提供了關(guān)鍵工程基礎(chǔ)。

相關(guān)論文信息：

論文標(biāo)題：Gaussian boson sampling with 1,024 squeezed states in 8,176 modes

發(fā)表期刊：《自然》（Nature）

在線發(fā)表時(shí)間：2026年5月13日

DOI：10.1038/s41586-026-10523-6