我国成功研制“九章四号”光量子计算原型机，确立全球领先量子计算优越性

◎ 科技日报记者 吴长锋

记者于5月13日从中国科学技术大学获悉，由该校潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐领衔的研究团队，联合国内多家合作单位，成功研发出拥有1024个量子压缩态输入、8176个模式的可编程光量子计算原型机，也就是“九章四号”，这也是全球范围内首次实现对高达3050个光子的量子态进行稳定操纵与精准探测。

此次研发成功的“九章四号”可用于高效完成高斯玻色采样任务，它的计算速度比当前全球性能最强的超级计算机El Capitan快10⁵⁴倍，成功搭建起目前国际上算力优势最显著的“量子计算优越性”标杆，相关研究成果已于5月13日在国际顶级学术期刊《自然》正式上线发表。

作为“九章”系列的专用量子计算原型机，这类装置不但是展示量子计算优越性的核心实验平台，还可以用于制备容错量子计算所需的玻色纠错码，以及构建大规模量子纠缠簇态，为后续通用量子计算发展打下基础。不过，在拓展光量子处理器规模的过程中，随着量子编码线路的体量和复杂度不断提升，无法完全避免的光子损耗问题，一直是限制整个系统规模扩展的核心瓶颈。

针对这一行业共性难题，此次研究团队自主开发了高效率光参量振荡器光源，以及创新性的时空混合编码干涉仪，成功将1024个高效率压缩态光场集成到拥有8176个模式的时空混合编码线路当中，最终实现了92%的光源利用效率，以及51%的系统总利用效率，让整个系统可以在维度高达102461维的希尔伯特空间中完成玻色采样任务。依托这套全新设计，团队终于实现了对最高3050个光子的操纵与探测，这个可操纵光子的规模相比此前的国际最优结果提升了超过10倍。

公开基准测试的结果显示，“九章四号”生成一个高斯玻色采样样本仅需要25微秒，而如果使用当前全球最快的超级计算机El Capitan配合目前最优的经典算法完成相同任务，需要超过10⁴²年才能得到结果，量子计算的优势倍率达到了10⁵⁴量级。

“九章四号”的研发成果，代表着低损耗光量子处理器在规模和复杂度上实现了质的飞跃，再次夯实了我国在光量子计算领域的全球领先地位。