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新华网科技观察丨立方级算力突破,“九章四号”走出量子计算新赛道

中国科学技术大学团队研制的“九章四号”光量子计算原型机取得重要突破,成功完成3050光子量级的高斯玻色采样任务。该成果通过高效率光源和时空混合编码技术,有效破解了光子损耗瓶颈,实现了连接度的立方级扩展,为光量子计算的规模化发展开辟了新路径,巩固了我国在该领域的国际。


立方级算力突破,“九章四号”走出量子计算新赛道

近日,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队研制的“九章四号”光量子计算原型机实现重要突破,成功完成3050光子量级的高斯玻色采样任务,在大规模低损耗光量子干涉网络领域取得世界级进展。这一成果为光量子计算的规模化、可扩展发展开辟了全新路径,再度巩固了我国在该领域的国际领先地位。

同为量子计算领域的探索,“九章”系列为何选择光子路线?光子计算可在室温环境下运行,但长期受困于哪些技术难题?“九章四号”又凭借什么“独门妙招”,实现了算力的跨越式提升?


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

光量子路线为何是量子赛道的“重要一极”

当前全球量子计算领域形成了超导、离子阱、中性原子、光量子四条主流技术路线,它们依托不同物理体系,发展方向差异显著。其中,超导路线需在极低温环境下运行,离子阱路线精度高但难以扩展,中性原子路线擅长构建大规模阵列,而光量子路线则拥有不可替代的独特优势。

首先,它能在室温下运行,无需依赖“极寒冰箱”。超导量子计算机必须在接近绝对零度的环境中工作,离不开庞大制冷设备;光量子系统却能在常温下稳定运行,在部署、组网与工程化方面更具优势。

其次,光子的“抗干扰”能力更强。光子与环境的耦合作用较弱,具有低退相干特性,是天然的“飞行量子比特”,尤其适合应用于量子通信、量子网络以及长距离信息分发。

再者,它天然适配未来量子互联网。光子是现代通信的核心载体,与量子中继、分布式量子节点高度兼容,是构建量子互联网的理想选择。

不过,这条路线也存在“致命短板”。正如专家所指出的,“九章”系列采用的连续变量光量子计算路线,在大规模量子态生成、高斯玻色采样等专用计算任务上优势突出,但光子之间缺乏强相互作用、难以实现确定性双量子比特逻辑门。其中最棘手的问题,就是光子损耗。

光子损耗,为何是光量子计算的“头号拦路虎”

很多人以为,光子损耗只是“信号变弱”,但在量子计算中,损耗并非简单的衰减,而是会直接“毁掉”计算过程。

光子在传播、耦合、分束、探测的每一步都可能被吸收或散射。系统规模越大,损耗问题就越严重,有效多光子干涉事件会随系统规模呈指数级下降,这正是长期制约光量子计算向大规模发展的核心瓶颈。

系统规模难以扩大,并非不想增加光子数量,而是光子一增加就会大量损耗,导致计算直接失效。而“九章四号”的核心突破,正是从源头提升效率、通过架构降损耗这两个关键方向同时发力,逐渐破解了损耗这个制约发展的“死xue”。

高效率光源+时空混合编码,破解损耗难题

面对损耗困境,中科大科研团队并未局限于“更换更优镜片”的单一思路,而是提出了一套“源头优化+架构创新”的组合解决方案。

第一招是打造高效率光源,从起点减少损失。团队自主研发的高效率光参量振荡器(OPO),单光源效率达到约92%,系统总效率提升至约51%,从光子产生的第一步就将“光子损耗”降至最低,为大规模干涉提供稳定的“量子燃料”。

第二招是采用时空混合编码,通过“时空复用”降低累积损耗。传统光量子干涉网络仅依赖“空间光路”扩展规模,如同不断新建道路,器件越多损耗越大;而时空混合编码则同时利用空间与时间两个自由度。

这好比把空间比作道路,时间比作班次。同一套硬件可在不同时间窗口复用,配合光纤延迟环实现“时间缓存”,让光子在空间和时间维度均能产生干涉。无需大量增加器件,即可构建更高维度、更大规模的量子网络,从根本上缓解累积损耗问题。

这两大技术协同发力,使“九章四号”成功实现1024个输入压缩态、8176个输出模式的大规模干涉,把光子事件规模推至3050光子量级。


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

连接度立方级扩展,意味着什么

“九章四号”最核心、最亮眼的技术突破,在于实现了连接度立方级大幅提升,这是光量子计算架构上的碘伏性创新。

这个“立方级扩展”究竟指什么?它并非简单让光子数量呈倍数或立方级增长,而是指光子有效模式间的联动与干涉配合能力,随着硬件设备的增加呈现立方级的跃升。

我们可以把量子计算中的光子模式比作一间教室里的学生,连接度则是学生之间互相交流、协同解题的能力。

在传统光量子计算方案中,若想让更多学生实现高效交流、提升计算能力,只能不断往教室里增加学生和桌椅。每新增一组学生,交流能力仅线性增长;且学生与设备越多,彼此的干扰与损耗就越大,如同人挤在一起说话听不清,交流效率反而下降,算力提升因此受限,只能靠堆硬件勉强升级。

而“九章四号”的全新时空混合编码方案无需额外增加硬件、不必往“教室”里增加人,仅通过同一套硬件、同一批“学生”,在不同时间维度里重复利用与多次配合,就像一套桌椅、一群学生能在不同时间段反复开展多人联动交流,既不用增加硬件成本,也不会产生额外损耗,却能让光子间的联动配合复杂度与连接能力实现爆发式增长,以最少的硬件资源,达成了超高难度的量子连接。

以往光量子计算提升算力只能一味增加光子器件,但器件本身的损耗与干扰问题始终无法彻底解决,导致算力提升遭遇天花板。如今“九章四号”无需攻克器件损耗难题,仅凭全新架构设计,就能让算力与计算规模实现跨越式增长。这不仅为光量子计算的后续发展筑牢了关键技术根基,更为研发测量驱动型光量子计算机、制备大规模三维簇态量子系统扫清了核心技术障碍。

从“演示性实验”迈向“可扩展系统”

“九章四号”的价值,不仅在于再次刷新光子数纪录,更在于突破了光量子计算规模化的核心制约。它证明光量子计算可在室温、低损耗、高连接度的架构下持续扩展规模;光量子并非只能局限于小规模演示,而是能够向更复杂、更实用的专用量子计算与量子网络节点演进。

未来量子计算将呈现异构生态:超导、离子阱路线向通用量子计算深度探索,光量子则在量子互联网、分布式计算及专用采样任务中具有不可替代性。我国已成为全球唯一在光量子、超导两条主路线均实现量子优越性,并同步向容错与规模化阶段迈进的国家。

从“九章一号”到“九章四号”,中国光量子计算稳步跨过一个个门槛:从验证量子优越性,到攻克损耗瓶颈,再到架构级创新。能用于药物研发、材料设计、复杂优化、量子通信组网的实用型量子技术,正从实验室走向现实。

量子时代的大门,正被中国力量进一步推开。每一次迭代,都凝结着无数科研人的坚守与突破;每一项突破,都指向国之所需、民之所向。从微观光子到宏观产业,从理论构想至现实应用,中国量子科技正以稳健步伐,把科技蓝图变为发展实景。

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