科技日报记者 吴长峰
5月13日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等团队在《自然》杂志上发表了一项重磅成果——“九章四号”量子计算原型机研制成功。它在特定数学问题上的计算速度，比当前全球最快的超级计算机快了1054倍。用通俗的话说，超级计算机需要1042年才能完成的任务，“九章四号”只需25微秒。
这一领先程度大到令人难以想象，1054倍这个数更是大到连“亿亿亿亿亿亿倍”都不足以形容。
第一问：算速跃升是如何实现的？
团队成员告诉科技日报记者：“要理解‘九章四号’计算速度的飞跃，先要弄懂3个核心数字：量子压缩态数量、模式数、光子数。”
首先是量子压缩态数量为1024个。量子压缩态就像量子计算机的“高能燃料”，普通光子就像汽油，而压缩态光子是经过特殊“挤压”的，它的量子涨落被大幅压低，从而具备了构建复杂量子纠缠的能力。压缩态越多，能发动的“量子引擎”就越强劲，而“九章四号”使用了1024个量子压缩态。
其次是8176个模式数。这指的是光子在计算网络中可能穿行的“路径”数量。“可以想象一个拥有8176个出口的超级三维迷宫，光子在里面穿梭、干涉、相互影响，每一个模式都是一条可能的计算通道。”该研究人员介绍。
第三是3050个光子。这可以看作是同时在“迷宫”里奔跑的选手数量。上一代“九章三号”只有255个光子，而“九章四号”一口气提升至3050个，提高了10倍以上。由于量子计算的计算状态空间是指数级增长的，光子数提升10倍，实际算力增益远超这个倍数。团队成员表示：“这正是量子计算‘碾压’经典计算的根源。”
第二问：主要技术突破是什么？
光量子计算有一个“死穴”——光子损耗。“迷宫”越复杂，光子越容易在半路“跑丢”。过去，这个问题像一堵高墙挡住了光量子计算机迈向大规模应用的道路。
回顾“九章”家族的进化史，团队成员告诉记者，从2020年“九章”的76光子首次证明光量子路线可行，到2026年“九章四号”的3050光子突破损耗瓶颈，迈向容错量子计算，光子数提升了约40倍，加速比提升了约1040倍。
“九章四号”团队首创了一套“可编程时空混合编码”架构。其核心思想是让光子在时间和空间两个维度上同时发生干涉。
记者了解到，以前只能靠不断增加光学器件来扩大规模，结果设备越来越臃肿，损耗越来越高；现在，新架构在控制器件数量的同时，极大提升了光路的连通性。光源效率高达92%，系统总效率达到51%。正是这一突破，让团队首次实现了对3050个光子的操纵和探测，系统可在维度高达102461的希尔伯特空间中进行采样。
从国际上看，2019年谷歌的“悬铃木”曾宣称实现所谓“量子霸权”（即量子计算优越性），但后来被中国团队用更聪明的经典算法推翻，其优势被证明存在漏洞。之后，加拿大Xanadu量子计算公司的“北极光”处理器（216光子），是国际上第二个实现光学量子计算优越性的系统。
而“九章四号”以3050个光子、1054倍计算速度的优势大幅领先，成功建立了国际上最强的量子计算优越性。值得一提的是，中国是全球唯一在光量子和超导两条技术路线上均实现量子计算优越性的国家。
第三问：这项成果价值几何？
团队成员表示：“‘九章四号’目前是一台专用量子模拟机，即原型机，不是通用量子计算机，它最擅长解决的是‘高斯玻色采样’这一特定数学问题。”
求解这个问题有用吗？该成员表示，短期有用，长期更是不可或缺。
“短期应用表现在高斯玻色采样可以用于图像识别、图论计算、机器学习等领域。比如，团队已经用‘九章三号’完成了稠密子图等图论问题的求解。听起来玄幻的理论，恰恰是人工智能、新药研发、材料设计等前沿方向的核心数学工具。”这名团队成员说，“九章四号”的长期价值则表现在能够生成玻色纠错码和大规模量子纠缠簇态。而纠错能力，正是未来通用量子计算机从“玩具”变成“工具”的关键。
1946年，世界上第一台电子计算机诞生时，没有人能预见其会开启整个信息时代。今天的量子计算，正处在“小荷才露尖尖角”的阶段，它还会有哪些神奇应用，又将如何改变未来，我们拭目以待。
