中国量子计算再破纪录

揭秘“九章四号”量子计算原型机

4月10日拍摄的“九章四号”量子计算原型机局部。新华社记者 周牧 摄

新华社合肥5月13日电（记者 陈诺 戴威 何曦悦）目前世界上最快的超级计算机，求解特定数学问题约需 10的42次方年。由中国科学家最新研制成功的“九章四号”量子计算原型机只需要25微秒，比超算快超过亿亿亿亿亿亿倍。

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐等组成的研究团队联合国内多家科研单位，成功研制出1024个量子压缩态输入、8176模式的可编程量子计算原型机“九章四号”，首次操纵和探测高达3050个光子的量子态，再度刷新光量子信息技术世界纪录。国际知名学术期刊《自然》13日发表了该成果。

什么是量子计算机？它和我们日常用的电脑有什么区别？“九章四号”为何那么强？这次成果意味着啥？新华社记者独家采访科研团队，带来权威解读。

问：啥叫量子计算机？答：量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。与经典计算的普通比特不同，量子计算机用的量子比特不是只有“0”或“1”，而是可以同时处于“0”和“1”的叠加态。借助叠加态与纠缠态，量子计算能够在同一时间并行处理大量计算路径，在特定问题上实现指数级加速。

目前主流量子比特技术路线包括超导、离子阱、光量子和中性原子等。“九章四号”是光量子计算原型机，使用光子来编码量子比特，通过对光子的量子操控及测量来实现量子计算，是“九章”（2020年）、“九章二号”（2021年）、“九章三号”（2023年）量子计算原型机的再升级版。

问：1024个量子压缩态、8176模式、3050个光子是啥意思？

答：“1024个量子压缩态”可以通俗地理解为这台量子计算机运行时的“高能燃料”。在光量子计算中，压缩态光子具有极其特殊的量子特性，是构建复杂量子纠缠的基础。

“8176模式”指的是光子在计算网络中可以穿梭的“路径”或“维度”的总数。你可以把这想象成一个有着8176个出口的超级三维立体迷宫，光子在里面进行极复杂的干涉游走。

“3050个光子”就是3000多个量子比特。此前，“九章三号”探测和操纵255个光子，“九章四号”提升了10倍多，意味着系统能够代表和处理的计算状态空间呈指数级增长，标志着人类操控微观量子世界的规模有了数量级的跨越。

问：“九章四号”最大的技术突破在哪？

答：光量子计算走向更大规模一直被一个叫“光子损耗”的“拦路虎”阻挡：随着光学网络越来越大、越来越复杂，光子在里面极其容易跑丢，从而大幅削弱计算能力。

此次最大的技术突破在于团队首创的“可编程时空混合编码”架构。过去如果要扩大规模，只能通过增加光学器件，导致设备庞大且损耗极高。“九章四号”让光子在时间和空间两个维度上同时发生干涉，极大提升了整个网络的连通性，又兼顾控制了物理器件的规模，进而获得了对高达3050个光子的操纵和探测能力，带来算力的指数级提升。

问：这次成果意味着啥？

答：目前“九章”系列是极为强大的专用量子模拟机，它只擅长解决“高斯玻色取样”这样特定的数学问题。这个数学问题短期内可用于图像识别、图论计算等，长远还能生成玻色纠错码，是未来打造高稳定通用量子计算机的关键。

“九章四号”在规模与低损耗的双重领先优势为构建“万亿量子模式的三维簇态”和未来的“容错光量子计算硬件”提供了可能，为未来的通用量子计算机奠定了坚实基础。

实现通用量子计算机，需要操纵上百万个量子比特，同时也要具备纠错能力。这些都需要在现有量子计算原型机基础上不断迭代，慢慢实现。