新華網(wǎng)北京5月20日電 題：立方級(jí)算力突破，“九章四號(hào)”走出量子計(jì)算新賽道

新華網(wǎng) 林雨南 郭曉婷

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)研制的“九章四號(hào)”光量子計(jì)算原型機(jī)實(shí)現(xiàn)重要突破，成功完成3050光子量級(jí)的高斯玻色采樣任務(wù)，在大規(guī)模低損耗光量子干涉網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域取得世界級(jí)進(jìn)展。這一成果為光量子計(jì)算的規(guī)模化、可擴(kuò)展發(fā)展開(kāi)辟了全新路徑，再度鞏固了我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。

同為量子計(jì)算領(lǐng)域的探索，“九章”系列為何選擇光子路線？光子計(jì)算可在室溫環(huán)境下運(yùn)行，但長(zhǎng)期受困于哪些技術(shù)難題？“九章四號(hào)”又憑借什么“獨(dú)門(mén)妙招”，實(shí)現(xiàn)了算力的跨越式提升？

4月10日拍攝的“九章四號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)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(dāng)前全球量子計(jì)算領(lǐng)域形成了超導(dǎo)、離子阱、中性原子、光量子四條主流技術(shù)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(dǎo)路線需在極低溫環(huán)境下運(yùn)行，離子阱路線精度高但難以擴(kuò)展，中性原子路線擅長(zhǎng)構(gòu)建大規(guī)模陣列，而光量子路線則擁有不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

第一，可在室溫下運(yùn)行，無(wú)需依賴“極寒冰箱”。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)必須在接近絕對(duì)零度的環(huán)境中工作，離不開(kāi)龐大制冷設(shè)備；光量子系統(tǒng)卻能在常溫下穩(wěn)定運(yùn)行，在部署、組網(wǎng)與工程化方面更具優(yōu)勢(shì)。

第二，光子的“抗干擾”能力更強(qiáng)。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(yīng)用于量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)以及長(zhǎng)距離信息分發(fā)。

第三，天然適配未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)。光子是現(xiàn)代通信的核心載體，與量子中繼、分布式量子節(jié)點(diǎn)高度兼容，是構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的理想選擇。

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

光子損耗，為何是光量子計(jì)算的“頭號(hào)攔路虎”

很多人以為，光子損耗只是“信號(hào)變?nèi)酢?，但在量子?jì)算中，損耗并非簡(jiǎn)單的衰減，而是會(huì)直接“毀掉”計(jì)算過(guò)程。

光子在傳播、耦合、分束、探測(cè)的每一步都可能被吸收或散射。系統(tǒng)規(guī)模越大，損耗問(wèn)題就越嚴(yán)重，有效多光子干涉事件會(huì)隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數(shù)級(jí)下降，這正是長(zhǎng)期制約光量子計(jì)算向大規(guī)模發(fā)展的核心瓶頸。

薛鵬教授進(jìn)一步解釋道，系統(tǒng)規(guī)模難以擴(kuò)大，并非不想增加光子數(shù)量，而是光子一增加就會(huì)大量損耗，導(dǎo)致計(jì)算直接失效。而“九章四號(hào)”的核心突破，正是從源頭提升效率、通過(guò)架構(gòu)降損耗這兩個(gè)關(guān)鍵方向同時(shí)發(fā)力，逐漸破解了損耗這個(gè)制約發(fā)展的“死穴”。

高效率光源+時(shí)空混合編碼，破解損耗難題

面對(duì)損耗困境，中科大科研團(tuán)隊(duì)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(gòu)創(chuàng)新”的組合解決方案。

第一招：高效率光源，從起點(diǎn)減少損失。團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的高效率光參量振蕩器（OPO），單光源效率達(dá)到約92%，系統(tǒng)總效率提升至約51%，從光子產(chǎn)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(shí)空混合編碼，通過(guò)“時(shí)空復(fù)用”降低累積損耗。傳統(tǒng)光量子干涉網(wǎng)絡(luò)僅依賴“空間光路”擴(kuò)展規(guī)模，如同不斷新建道路，器件越多損耗越大；而時(shí)空混合編碼則同時(shí)利用空間與時(shí)間兩個(gè)自由度。

安徽大學(xué)王坤坤教授舉例說(shuō)，空間好比道路，時(shí)間好比班次。同一套硬件可在不同時(shí)間窗口復(fù)用，配合光纖延遲環(huán)實(shí)現(xiàn)“時(shí)間緩存”，讓光子在空間和時(shí)間維度均能產(chǎn)生干涉。無(wú)需大量增加器件，即可構(gòu)建更高維度、更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)，從根本上緩解累積損耗問(wèn)題。

這兩大技術(shù)協(xié)同發(fā)力，使“九章四號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)1024個(gè)輸入壓縮態(tài)、8176個(gè)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(jí)。

4月10日拍攝的“九章四號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)局部。新華社記者 周牧 攝

連接度立方級(jí)擴(kuò)展，意味著什么

薛鵬教授指出，“九章四號(hào)”最核心、最亮眼的技術(shù)突破，在于實(shí)現(xiàn)了連接度立方級(jí)大幅提升，這是光量子計(jì)算架構(gòu)上的顛覆性創(chuàng)新。

這個(gè)“立方級(jí)擴(kuò)展”究竟指什么？它并非簡(jiǎn)單讓光子數(shù)量呈倍數(shù)或立方級(jí)增長(zhǎng)，而是指光子有效模式間的聯(lián)動(dòng)與干涉配合能力，隨著硬件設(shè)備的增加呈現(xiàn)立方級(jí)的躍升。

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

在傳統(tǒng)光量子計(jì)算方案中，若想讓更多學(xué)生實(shí)現(xiàn)高效交流、提升計(jì)算能力，只能不斷往教室里增加學(xué)生和桌椅。每新增一組學(xué)生，交流能力僅線性增長(zhǎng)；且學(xué)生與設(shè)備越多，彼此的干擾與損耗就越大，如同人擠在一起說(shuō)話聽(tīng)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(qiáng)升級(jí)。

而“九章四號(hào)”的全新時(shí)空混合編碼方案無(wú)需額外增加硬件、不必往“教室”里增加人，僅通過(guò)同一套硬件、同一批“學(xué)生”，在不同時(shí)間維度里重復(fù)利用與多次配合，就像一套桌椅、一群學(xué)生能在不同時(shí)間段反復(fù)開(kāi)展多人聯(lián)動(dòng)交流，既不用增加硬件成本，也不會(huì)產(chǎn)生額外損耗，卻能讓光子間的聯(lián)動(dòng)配合復(fù)雜度與連接能力實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，以最少的硬件資源，達(dá)成了超高難度的量子連接。

以往光量子計(jì)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(wèn)題始終無(wú)法徹底解決，導(dǎo)致算力提升遭遇天花板。如今“九章四號(hào)”無(wú)需攻克器件損耗難題，僅憑全新架構(gòu)設(shè)計(jì)，就能讓算力與計(jì)算規(guī)模實(shí)現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)。這不僅為光量子計(jì)算的后續(xù)發(fā)展筑牢了關(guān)鍵技術(shù)根基，更為研發(fā)測(cè)量驅(qū)動(dòng)型光量子計(jì)算機(jī)、制備大規(guī)模三維簇態(tài)量子系統(tǒng)掃清了核心技術(shù)障礙。

從“演示性實(shí)驗(yàn)”邁向“可擴(kuò)展系統(tǒng)”

“九章四號(hào)”的價(jià)值，不僅在于再次刷新光子數(shù)紀(jì)錄，更在于突破了光量子計(jì)算規(guī)?；暮诵闹萍s。它證明光量子計(jì)算可在室溫、低損耗、高連接度的架構(gòu)下持續(xù)擴(kuò)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(fù)雜、更實(shí)用的專(zhuān)用量子計(jì)算與量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)演進(jìn)。

東南大學(xué)教授肖磊表示，未來(lái)量子計(jì)算將呈現(xiàn)異構(gòu)生態(tài)：超導(dǎo)、離子阱路線向通用量子計(jì)算深度探索，光量子則在量子互聯(lián)網(wǎng)、分布式計(jì)算及專(zhuān)用采樣任務(wù)中具有不可替代性。我國(guó)已成為全球唯一在光量子、超導(dǎo)兩條主路線均實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，并同步向容錯(cuò)與規(guī)?；A段邁進(jìn)的國(guó)家。

從“九章一號(hào)”到“九章四號(hào)”，中國(guó)光量子計(jì)算穩(wěn)步跨過(guò)一個(gè)個(gè)門(mén)檻：從驗(yàn)證量子優(yōu)越性，到攻克損耗瓶頸，再到架構(gòu)級(jí)創(chuàng)新。能用于藥物研發(fā)、材料設(shè)計(jì)、復(fù)雜優(yōu)化、量子通信組網(wǎng)的實(shí)用型量子技術(shù)，正從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)。

量子時(shí)代的大門(mén)，正被中國(guó)力量進(jìn)一步推開(kāi)。每一次迭代，都凝結(jié)著無(wú)數(shù)科研人的堅(jiān)守與突破；每一項(xiàng)突破，都指向國(guó)之所需、民之所向。從微觀光子到宏觀產(chǎn)業(yè)，從理論構(gòu)想至現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，中國(guó)量子科技正以穩(wěn)健步伐，把科技藍(lán)圖變?yōu)榘l(fā)展實(shí)景，為強(qiáng)國(guó)建設(shè)、民族復(fù)興點(diǎn)亮創(chuàng)新之光。