近日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊研制的“九章四號”光量子計算原型機實現重要突破，成功完成3050光子量級的高斯玻色采樣任務，在大規(guī)模低損耗光量子干涉網絡領域取得世界級進展。這一成果為光量子計算的規(guī)模化、可擴展發(fā)展開辟了全新路徑，再度鞏固了我國在該領域的國際領先地位。

同為量子計算領域的探索，“九章”系列為何選擇光子路線？光子計算可在室溫環(huán)境下運行，但長期受困于哪些技術難題？“九章四號”又憑借什么“獨門妙招”，實現了算力的跨越式提升？

4月10日拍攝的“九章四號”量子計算原型機局部。新華社記者 周牧 攝

光量子路線為何是量子賽道的“重要一極”

當前全球量子計算領域形成了超導、離子阱、中性原子、光量子四條主流技術路線，它們依托不同物理體系，發(fā)展方向差異顯著。其中，超導路線需在極低溫環(huán)境下運行，離子阱路線精度高但難以擴展，中性原子路線擅長構建大規(guī)模陣列，而光量子路線則擁有不可替代的獨特優(yōu)勢。

第一，可在室溫下運行，無需依賴“極寒冰箱”。超導量子計算機必須在接近絕對零度的環(huán)境中工作，離不開龐大制冷設備；光量子系統(tǒng)卻能在常溫下穩(wěn)定運行，在部署、組網與工程化方面更具優(yōu)勢。

第二，光子的“抗干擾”能力更強。光子與環(huán)境的耦合作用較弱，具有低退相干特性，是天然的“飛行量子比特”，尤其適合應用于量子通信、量子網絡以及長距離信息分發(fā)。

第三，天然適配未來量子互聯網。光子是現代通信的核心載體，與量子中繼、分布式量子節(jié)點高度兼容，是構建量子互聯網的理想選擇。

東南大學薛鵬教授指出，“九章”系列采用連續(xù)變量光量子計算路線，在大規(guī)模量子態(tài)生成、高斯玻色采樣等專用計算任務上優(yōu)勢突出。但這條路線也存在“致命短板”：光子之間缺乏強相互作用、難以實現確定性雙量子比特邏輯門，而其中最棘手的問題，是光子損耗。

光子損耗，為何是光量子計算的“頭號攔路虎”

很多人以為，光子損耗只是“信號變弱”，但在量子計算中，損耗并非簡單的衰減，而是會直接“毀掉”計算過程。

光子在傳播、耦合、分束、探測的每一步都可能被吸收或散射。系統(tǒng)規(guī)模越大，損耗問題就越嚴重，有效多光子干涉事件會隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數級下降，這正是長期制約光量子計算向大規(guī)模發(fā)展的核心瓶頸。

薛鵬教授進一步解釋道，系統(tǒng)規(guī)模難以擴大，并非不想增加光子數量，而是光子一增加就會大量損耗，導致計算直接失效。而“九章四號”的核心突破，正是從源頭提升效率、通過架構降損耗這兩個關鍵方向同時發(fā)力，逐漸破解了損耗這個制約發(fā)展的“死穴”。

高效率光源+時空混合編碼，破解損耗難題

面對損耗困境，中科大科研團隊并未局限于“更換更優(yōu)鏡片”的單一思路，而是提出了一套“源頭優(yōu)化+架構創(chuàng)新”的組合解決方案。

第一招：高效率光源，從起點減少損失。團隊自主研發(fā)的高效率光參量振蕩器（OPO），單光源效率達到約92%，系統(tǒng)總效率提升至約51%，從光子產生的第一步就將“光子損耗”降至最低，為大規(guī)模干涉提供穩(wěn)定的“量子燃料”。

第二招：時空混合編碼，通過“時空復用”降低累積損耗。傳統(tǒng)光量子干涉網絡僅依賴“空間光路”擴展規(guī)模，如同不斷新建道路，器件越多損耗越大；而時空混合編碼則同時利用空間與時間兩個自由度。

安徽大學王坤坤教授舉例說，空間好比道路，時間好比班次。同一套硬件可在不同時間窗口復用，配合光纖延遲環(huán)實現“時間緩存”，讓光子在空間和時間維度均能產生干涉。無需大量增加器件，即可構建更高維度、更大規(guī)模的量子網絡，從根本上緩解累積損耗問題。

這兩大技術協同發(fā)力，使“九章四號”成功實現1024個輸入壓縮態(tài)、8176個輸出模式的大規(guī)模干涉，把光子事件規(guī)模推至3050光子量級。

4月10日拍攝的“九章四號”量子計算原型機局部。新華社記者 周牧 攝

連接度立方級擴展，意味著什么

薛鵬教授指出，“九章四號”最核心、最亮眼的技術突破，在于實現了連接度立方級大幅提升，這是光量子計算架構上的顛覆性創(chuàng)新。

這個“立方級擴展”究竟指什么？它并非簡單讓光子數量呈倍數或立方級增長，而是指光子有效模式間的聯動與干涉配合能力，隨著硬件設備的增加呈現立方級的躍升。

我們可以把量子計算中的光子模式比作一間教室里的學生，連接度則是學生之間互相交流、協同解題的能力。

在傳統(tǒng)光量子計算方案中，若想讓更多學生實現高效交流、提升計算能力，只能不斷往教室里增加學生和桌椅。每新增一組學生，交流能力僅線性增長；且學生與設備越多，彼此的干擾與損耗就越大，如同人擠在一起說話聽不清，交流效率反而下降，算力提升因此受限，只能靠堆硬件勉強升級。

而“九章四號”的全新時空混合編碼方案無需額外增加硬件、不必往“教室”里增加人，僅通過同一套硬件、同一批“學生”，在不同時間維度里重復利用與多次配合，就像一套桌椅、一群學生能在不同時間段反復開展多人聯動交流，既不用增加硬件成本，也不會產生額外損耗，卻能讓光子間的聯動配合復雜度與連接能力實現爆發(fā)式增長，以最少的硬件資源，達成了超高難度的量子連接。

以往光量子計算提升算力只能一味增加光子器件，但器件本身的損耗與干擾問題始終無法徹底解決，導致算力提升遭遇天花板。如今“九章四號”無需攻克器件損耗難題，僅憑全新架構設計，就能讓算力與計算規(guī)模實現跨越式增長。這不僅為光量子計算的后續(xù)發(fā)展筑牢了關鍵技術根基，更為研發(fā)測量驅動型光量子計算機、制備大規(guī)模三維簇態(tài)量子系統(tǒng)掃清了核心技術障礙。

從“演示性實驗”邁向“可擴展系統(tǒng)”

“九章四號”的價值，不僅在于再次刷新光子數紀錄，更在于突破了光量子計算規(guī)模化的核心制約。它證明光量子計算可在室溫、低損耗、高連接度的架構下持續(xù)擴展規(guī)模；光量子并非只能局限于小規(guī)模演示，而是能夠向更復雜、更實用的專用量子計算與量子網絡節(jié)點演進。

東南大學教授肖磊表示，未來量子計算將呈現異構生態(tài)：超導、離子阱路線向通用量子計算深度探索，光量子則在量子互聯網、分布式計算及專用采樣任務中具有不可替代性。我國已成為全球唯一在光量子、超導兩條主路線均實現量子優(yōu)越性，并同步向容錯與規(guī)模化階段邁進的國家。

從“九章一號”到“九章四號”，中國光量子計算穩(wěn)步跨過一個個門檻：從驗證量子優(yōu)越性，到攻克損耗瓶頸，再到架構級創(chuàng)新。能用于藥物研發(fā)、材料設計、復雜優(yōu)化、量子通信組網的實用型量子技術，正從實驗室走向現實。

量子時代的大門，正被中國力量進一步推開。每一次迭代，都凝結著無數科研人的堅守與突破；每一項突破，都指向國之所需、民之所向。從微觀光子到宏觀產業(yè)，從理論構想至現實應用，中國量子科技正以穩(wěn)健步伐，把科技藍圖變?yōu)榘l(fā)展實景，為強國建設、民族復興點亮創(chuàng)新之光。

來源：新華社

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