中國(guó)九章4.0量子計(jì)算機(jī)再破世界紀(jì)錄，比超算快10的54次方倍

剛剛，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在 Nature 上發(fā)表論文，他們展示了一臺(tái)叫九章 4.0 的量子計(jì)算機(jī)，它用光子做計(jì)算，在解決高斯玻色取樣這個(gè)特定問(wèn)題時(shí)，速度比全世界最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)還要快 10 的 54 次方倍。世界上最快的超算 El Capitan 需要算 10 的 42 次方年才能完成的任務(wù)，九章 4.0 只用了 25 微秒，比一次眨眼還要短得多。該團(tuán)隊(duì)把 1,024 個(gè)高效壓縮態(tài)光源塞進(jìn)了一個(gè) 8,176 個(gè)模式的混合編碼回路里，最終探測(cè)到了最高 3,050 個(gè)光子。

（來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10523-6）

據(jù)了解，九章系列從 2020 年第一代開始，已經(jīng)連續(xù)多次刷新世界紀(jì)錄。量子計(jì)算和普通電腦最大的區(qū)別在于計(jì)算方式。普通電腦用比特，每個(gè)比特要么是 0 要么是 1，就像一列開關(guān)只能開或者關(guān)。量子計(jì)算機(jī)用量子比特，它可以同時(shí)處于 0 和 1 的疊加態(tài)，就像一枚旋轉(zhuǎn)的硬幣同時(shí)是正面和反面。多個(gè)量子比特糾纏在一起，計(jì)算能力會(huì)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。九章 4.0 走的是光子路線，用光子作為量子比特的載體，通過(guò)操控和測(cè)量光子來(lái)完成計(jì)算。

九章 4.0 要解決的高斯玻色取樣問(wèn)題，這本質(zhì)上是一個(gè)光子經(jīng)過(guò)復(fù)雜光路后落到哪個(gè)出口的問(wèn)題。光子數(shù)量越多，出口數(shù)量越多，所有可能的結(jié)果組合就爆炸式增長(zhǎng)。普通計(jì)算機(jī)計(jì)算這種問(wèn)題，隨著光子數(shù)量增加，計(jì)算量會(huì)呈指數(shù)級(jí)上升，很快就算不動(dòng)了。九章 4.0 用物理實(shí)驗(yàn)的方式直接模擬這個(gè)過(guò)程，光路走完結(jié)果自然就出來(lái)了。

該團(tuán)隊(duì)在九章 4.0 上做了三組不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。最小的一組用了 64 個(gè)輸入壓縮態(tài)和 4,336 個(gè)輸出模式，中間一組用了 256 個(gè)輸入和 5,104 個(gè)輸出，最大的一組用了 1,024 個(gè)輸入和 8,176 個(gè)輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，九章 4.0 產(chǎn)生的復(fù)雜數(shù)據(jù)樣本，平均光子點(diǎn)擊數(shù)達(dá)到了 2,207 個(gè)，最高探測(cè)到了 3,050 個(gè)光子。這個(gè)數(shù)字比之前的九章 3.0 高了整整一個(gè)數(shù)量級(jí)，上一代只能做到 255 個(gè)光子。

（來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10523-6）

九章 4.0 能取得這么大的突破，關(guān)鍵在于他們攻克了兩大核心技術(shù)。第一個(gè)是高效率的光學(xué)參量振蕩器光源，它產(chǎn)生的壓縮態(tài)光場(chǎng)效率達(dá)到了 92%。為了讓光子的質(zhì)量足夠純凈，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三組級(jí)聯(lián)的非平衡馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x來(lái)濾除噪聲，搭配 0.4 納米窄帶濾光片，最終實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 40 分貝的噪聲抑制比。三個(gè)不同光路長(zhǎng)度差分別設(shè)為等于腔長(zhǎng)、1.5 倍腔長(zhǎng)和 1.25 倍腔長(zhǎng)，專門用來(lái)濾除不同階次的非簡(jiǎn)并光譜模式。

第二個(gè)核心技術(shù)是時(shí)空混合編碼回路。傳統(tǒng)的光量子實(shí)驗(yàn)要么只用空間編碼，要么只用時(shí)間編碼，都有各自的局限性。九章 4.0 把兩種方式融合在了一起。整個(gè)光路由三級(jí) 16 模干涉儀組成，中間用兩組光纖延遲環(huán)陣列連接。

據(jù)了解，第一組短延遲環(huán)的延遲時(shí)間從 τ 到 15τ，第二組長(zhǎng)延遲環(huán)從 16τ到 255τ，τ 設(shè)為 50 納秒。光子先進(jìn)入第一級(jí)干涉儀被擴(kuò)散到 16 個(gè)空間模式，然后經(jīng)過(guò)短延遲環(huán)被填充到 16 個(gè)時(shí)間片里，接著進(jìn)入第二級(jí)干涉儀再次擴(kuò)散，再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)延遲環(huán)填充到 256 個(gè)時(shí)間片里，最后進(jìn)入第三級(jí)干涉儀完成最終的混合。這種設(shè)計(jì)的巧妙之處在于，連接規(guī)模是立方級(jí)增長(zhǎng)的，而物理資源只線性增長(zhǎng)。1,024 個(gè)輸入和 8,176 個(gè)輸出之間，總共形成了 4,096 種連接關(guān)系。

（來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10523-6）

整套光路需要極其穩(wěn)定的相位控制，為此他們?cè)O(shè)計(jì)了幾套主動(dòng)鎖定系統(tǒng)。首先是鎖定泵浦光源到第一級(jí)干涉儀的相位，用壓電陶瓷鏡片配合平衡零差探測(cè)，精度達(dá)到 1 納米。其次是鎖定兩組光纖延遲環(huán)的相位，用反向傳播的探測(cè)光束做參考，通過(guò)壓電陶瓷和熱電制冷雙重反饋，精度分別達(dá)到 3 納米和 10 納米。整個(gè)系統(tǒng)可以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)十個(gè)小時(shí)。

為了驗(yàn)證九章 4.0 真的超越了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，他們用了一整套驗(yàn)證工具。貝葉斯檢驗(yàn)用來(lái)區(qū)分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)跟經(jīng)典模擬數(shù)據(jù)，分?jǐn)?shù)越高說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越接近理論真值。他們還做了最多到四階的相關(guān)函數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)九章 4.0 在高階關(guān)聯(lián)上明顯優(yōu)于任何經(jīng)典模擬器。論文里特別提到了一個(gè)叫樹寬采樣器的經(jīng)典算法，它的計(jì)算復(fù)雜度依賴于樹寬參數(shù)，該團(tuán)隊(duì)把樹寬設(shè)到 161，這是目前超算根本無(wú)法實(shí)際運(yùn)行的數(shù)值，但即便在這個(gè)設(shè)定下，它的近似結(jié)果依然和九章 4.0 的真實(shí)數(shù)據(jù)差得很遠(yuǎn)。

據(jù)了解，九章 4.0 的單次采樣只需要 25 微秒，這意味著在最復(fù)雜的設(shè)定下，該量子處理器產(chǎn)出結(jié)果的速度是傳統(tǒng)方法的天文數(shù)字倍。他們還用了一種叫矩陣乘積態(tài)的經(jīng)典算法來(lái)對(duì)比，這種算法是目前模擬有損高斯玻色取樣最強(qiáng)大的工具。不過(guò)對(duì)于九章 4.0 的 L1024 實(shí)驗(yàn)組，要把矩陣乘積態(tài)的截?cái)嗾`差降到足夠低，所需要的鍵維度超過(guò)了 10 的 21 次方，這已經(jīng)超出了任何現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力。即便用世界上最快的超算，算一個(gè)樣本也要超過(guò) 10 的 42 次年。

在應(yīng)用潛力上，高斯玻色取樣本身就可以用于解決圖論中的稠密子圖發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，這在社交網(wǎng)絡(luò)分析、金融風(fēng)險(xiǎn)控制、生物信息學(xué)等領(lǐng)域有重要價(jià)值。該團(tuán)隊(duì)之前已經(jīng)用九章系列做過(guò)圖像識(shí)別的演示。

（來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10523-6）

同時(shí)，九章 4.0 展示的低損耗、可編程、大規(guī)模光量子處理能力，為構(gòu)建萬(wàn)億量子比特模式的三維團(tuán)簇態(tài)打下了基礎(chǔ)。三維團(tuán)簇態(tài)是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)光量子計(jì)算硬件的關(guān)鍵資源，該架構(gòu)還可以用來(lái)生成玻色子糾錯(cuò)碼，這是通往通用容錯(cuò)量子計(jì)算的一條重要路徑。

此外，九章 4.0 還展示了 32 路時(shí)間片和 16 路空間模式的混合編碼能力，這種架構(gòu)很容易擴(kuò)展到更多路數(shù)和更大規(guī)模，模塊化的設(shè)計(jì)也讓未來(lái)的拼接和互聯(lián)變得可行。

回顧來(lái)路，潘建偉團(tuán)隊(duì)的九章系列從 2020 年面世，到 2021 年的九章 2.0，再到 2023 年的九章 3.0，如今九章 4.0 再次刷新了光量子信息技術(shù)的世界紀(jì)錄。他們把光子數(shù)從 76 做到 113、219、255，一直到今天的 3,050。量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算之間的這場(chǎng)賽跑遠(yuǎn)未結(jié)束，經(jīng)典算法也在不斷進(jìn)化，兩邊都在互相追趕互相超越。不過(guò)九章 4.0 已經(jīng)證明，在玻色取樣這個(gè)特定問(wèn)題上，光量子路線的優(yōu)勢(shì)達(dá)到了以往難以想象的尺度。

參考資料：

相關(guān)論文https://www.nature.com/articles/s41586-026-10523-6

https://english.news.cn/20260514/365a07ee40354bf3a7dcffe671b1afba/c.html

https://www.chinadaily.com.cn/a/202605/13/WS6a049d5aa310d6866eb48721.html