我国“九章四号”可编程量子计算原型机在合肥成功研制再刷新量子计算优越性纪录

9分钟前

5月13日晚，记者从中国科学技术大学获悉，由该校潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐等学者领衔，联合其他科研单位共同研发的可编程量子计算原型机“九章四号”正式问世。这一成果首次实现了对高达3050个光子的量子态操纵与探测，在求解高斯玻色采样这一特定任务时，计算速度比当前全球最快的超级计算机El Capitan快10的54次方倍，成功搭建起目前国际上领先的“量子计算优越性”标杆，相关研究论文已刊发在国际权威学术期刊《自然》上。

九章四号原型机示意图。中国科大供图

量子计算依托量子叠加、量子纠缠的独特物理特性，在处理特定复杂问题时，能够实现远超过经典计算机的运算能力。而“量子计算优越性”，是量子计算走向实用化必须跨过的关键门槛，也是衡量一个国家量子计算领域研究水平的核心指标。

九章四号量子计算原型机。郑鸿洁摄

在这场量子计算的全球竞赛中，中国科大联合团队针对同一高斯玻色采样任务，对比超算求解所需的时间与能耗，全面打破了美国谷歌公司2019年提出的“量子霸权”记录，重新划定了“量子计算优越性”的新高度。

九章四号量子计算原型机。周欣宇摄

中国科大在光量子计算领域的研究一直在稳步推进：2020年，团队成功研制出搭载76个光子的“九章”光量子计算原型机，在全球范围内首次在光学体系实现了量子计算优越性；2021年，团队将可操纵光子数提升至113个，推出支持相位编程的“九章二号”，同年又成功研制出56比特的超导量子计算原型机“祖冲之二号”，让中国成为了全球唯一一个同时在光量子、超导量子两条技术路线上都实现量子计算优越性的国家；2023年问世的“九章三号”，再次将可操纵光子数刷新到255个，量子优势进一步提升，始终保持着国际领先地位。

光量子计算的国际竞争态势。中国科大供图

据“九章”系列研发团队介绍，在推进大规模量子处理器研发的过程中，随着量子编码线路变得越来越庞大复杂，难以避免的光子损耗一直是限制量子系统规模扩展的核心难题。为解决这一痛点，“九章四号”研发团队自主开发出高效率光参量振荡器光源，以及全新的时空混合编码干涉仪，最终实现了92%的光源效率和51%的系统总效率。这种全新的时空混合编码架构，让系统连接度实现了立方级提升，使得原型机能够在规模极大的希尔伯特空间中完成采样任务。这一系列技术突破，让研究团队最终获得了操纵、探测3050个光子的能力，这一数字比此前的最好结果提升了十倍以上。

九章四号相对目前最快超级计算机的加速比。中国科大供图

团队还将实验结果和当前所有最先进的经典模拟算法做了对比基准测试，其中专门针对利用光子损耗设计的矩阵乘积态算法做了验证。测试结果显示，“九章四号”生成一个高斯玻色采样样本仅需要25微秒，而如果用全球最强超级计算机El Capitan搭配目前最优的经典算法完成同样任务，需要的时间超过10的42次方年，“九章四号”展现出的量子优势达到了10的54次方量级。