近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽團隊研制的“九章四號”光量子計算原型機實現(xiàn)重要突破，成功完成3050光子量級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)域取得世界級進展。這一成果為光量子計算的規(guī)模化、可擴展發(fā)展開辟了全新路徑，再度鞏固了我國在該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
同為量子計算領(lǐng)域的探索，“九章”系列為何選擇光子路線？光子計算可在室溫環(huán)境下運行，但長期受困于哪些技術(shù)難題？“九章四號”又憑借什么“獨門妙招”，實現(xiàn)了算力的跨越式提升？
4月10日拍攝的“九章四號”量子計算原型機局部。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”
當前全球量子計算領(lǐng)域形成了超導、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，超導路線需在極低溫環(huán)境下運行，離子阱路線精度高但難以擴展，中性原子路線擅長構(gòu)建大規(guī)模陣列，而光量子路線則擁有不可替代的獨特優(yōu)勢。
第一，可在室溫下運行，無需依賴“極寒冰箱”。超導量子計算機必須在接近絕對零度的環(huán)境中工作，離不開龐大制冷設(shè)備；光量子系統(tǒng)卻能在常溫下穩(wěn)定運行，在部署、組網(wǎng)與工程化方面更具優(yōu)勢。
第二，光子的“抗干擾”能力更強。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)以及長距離信息分發(fā)。
第三，天然適配未來量子互聯(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)點高度兼容，是構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的理想選擇。
東南大學薛鵬教授指出，“九章”系列采用連續(xù)變量光量子計算路線，在大規(guī)模量子態(tài)生成、高斯玻色采樣等專用計算任務(wù)上優(yōu)勢突出。但這條路線也存在“致命短板”：光子之間缺乏強相互作用、難以實現(xiàn)確定性雙量子比特邏輯門，而其中最棘手的問題，是光子損耗。
光子損耗，為何是光量子計算的“頭號攔路虎”
很多人以為，光子損耗只是“信號變?nèi)酢?，但在量子計算中，損耗并非簡單的衰減，而是會直接“毀掉”計算過程。
光子在傳播、耦合、分束、探測的每一步都可能被吸收或散射。系統(tǒng)規(guī)模越大，損耗問題就越嚴重，有效多光子干涉事件會隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數(shù)級下降，這正是長期制約光量子計算向大規(guī)模發(fā)展的核心瓶頸。
薛鵬教授進一步解釋道，系統(tǒng)規(guī)模難以擴大，并非不想增加光子數(shù)量，而是光子一增加就會大量損耗，導致計算直接失效。而“九章四號”的核心突破，正是從源頭提升效率、通過架構(gòu)降損耗這兩個關(guān)鍵方向同時發(fā)力，逐漸破解了損耗這個制約發(fā)展的“死穴”。
高效率光源+時空混合編碼，破解損耗難題
面對損耗困境，中科大科研團隊并未局限于“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，從起點減少損失。團隊自主研發(fā)的高效率光參量振蕩器（OPO），單光源效率達到約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：時空混合編碼，通過“時空復用”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”擴展規(guī)模，如同不斷新建道路，器件越多損耗越大；而時空混合編碼則同時利用空間與時間兩個自由度。
安徽大學王坤坤教授舉例說，空間好比道路，時間好比班次。同一套硬件可在不同時間窗口復用，配合光纖延遲環(huán)實現(xiàn)“時間緩存”，讓光子在空間和時間維度均能產(chǎn)生干涉。無需大量增加器件，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題。
這兩大技術(shù)協(xié)同發(fā)力，使“九章四號”成功實現(xiàn)1024個輸入壓縮態(tài)、8176個輸出模式的大規(guī)模干涉，把光子事件規(guī)模推至3050光子量級。
連接度立方級擴展，意味著什么
薛鵬教授指出，“九章四號”最核心、最亮眼的技術(shù)突破，在于實現(xiàn)了連接度立方級大幅提升，這是光量子計算架構(gòu)上的顛覆性創(chuàng)新。
這個“立方級擴展”究竟指什么？它并非簡單讓光子數(shù)量呈倍數(shù)或立方級增長，而是指光子有效模式間的聯(lián)動與干涉配合能力，隨著硬件設(shè)備的增加呈現(xiàn)立方級的躍升。
我們可以把量子計算中的光子模式比作一間教室里的學生，連接度則是學生之間互相交流、協(xié)同解題的能力。
在傳統(tǒng)光量子計算方案中，若想讓更多學生實現(xiàn)高效交流、提升計算能力，只能不斷往教室里增加學生和桌椅。每新增一組學生，交流能力僅線性增長；且學生與設(shè)備越多，彼此的干擾與損耗就越大，如同人擠在一起說話聽不清，交流效率反而下降，算力提升因此受限，只能靠堆硬件勉強升級。
而“九章四號”的全新時空混合編碼方案無需額外增加硬件、不必往“教室”里增加人，僅通過同一套硬件、同一批“學生”，在不同時間維度里重復利用與多次配合，就像一套桌椅、一群學生能在不同時間段反復開展多人聯(lián)動交流，既不用增加硬件成本，也不會產(chǎn)生額外損耗，卻能讓光子間的聯(lián)動配合復雜度與連接能力實現(xiàn)爆發(fā)式增長，以最少的硬件資源，達成了超高難度的量子連接。
以往光量子計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題始終無法徹底解決，導致算力提升遭遇天花板。如今“九章四號”無需攻克器件損耗難題，僅憑全新架構(gòu)設(shè)計，就能讓算力與計算規(guī)模實現(xiàn)跨越式增長。這不僅為光量子計算的后續(xù)發(fā)展筑牢了關(guān)鍵技術(shù)根基，更為研發(fā)測量驅(qū)動型光量子計算機、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“演示性實驗”邁向“可擴展系統(tǒng)”
“九章四號”的價值，不僅在于再次刷新光子數(shù)紀錄，更在于突破了光量子計算規(guī)模化的核心制約。它證明光量子計算可在室溫、低損耗、高連接度的架構(gòu)下持續(xù)擴展規(guī)模；光量子并非只能局限于小規(guī)模演示，而是能夠向更復雜、更實用的專用量子計算與量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點演進。
東南大學教授肖磊表示，未來量子計算將呈現(xiàn)異構(gòu)生態(tài)：超導、離子阱路線向通用量子計算深度探索，光量子則在量子互聯(lián)網(wǎng)、分布式計算及專用采樣任務(wù)中具有不可替代性。我國已成為全球唯一在光量子、超導兩條主路線均實現(xiàn)量子優(yōu)越性，并同步向容錯與規(guī)?；A段邁進的國家。
從“九章一號”到“九章四號”，中國光量子計算穩(wěn)步跨過一個個門檻：從驗證量子優(yōu)越性，到攻克損耗瓶頸，再到架構(gòu)級創(chuàng)新。能用于藥物研發(fā)、材料設(shè)計、復雜優(yōu)化、量子通信組網(wǎng)的實用型量子技術(shù)，正從實驗室走向現(xiàn)實。
量子時代的大門，正被中國力量進一步推開。每一次迭代，都凝結(jié)著無數(shù)科研人的堅守與突破；每一項突破，都指向國之所需、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)實應(yīng)用，中國量子科技正以穩(wěn)健步伐，把科技藍圖變?yōu)榘l(fā)展實景，為強國建設(shè)、民族復興點亮創(chuàng)新之光。（新華網(wǎng) 林雨南 郭曉婷）
（責任編輯：蔡文斌）
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