中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊近日在量子計算領域取得重大突破，其研發(fā)的“九章四號”光量子計算原型機成功完成3050光子量級的高斯玻色采樣任務。這一成果標志著我國在大規(guī)模低損耗光量子干涉網(wǎng)絡領域達到世界領先水平，為光量子計算的規(guī)模化發(fā)展開辟了新路徑。

當前全球量子計算領域主要沿超導、離子阱、中性原子和光量子四條技術路線發(fā)展。其中，光量子路線因可在室溫環(huán)境下運行而備受關注。與需要接近絕對零度環(huán)境的超導路線相比，光量子系統(tǒng)無需龐大制冷設備，在部署和工程化方面具有顯著優(yōu)勢。光子具有低退相干特性，是天然的“飛行量子比特”，特別適合量子通信和長距離信息分發(fā)。更重要的是，光子作為現(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，是構建量子互聯(lián)網(wǎng)的理想選擇。

然而，光量子計算長期面臨光子損耗這一核心難題。光子在傳播、耦合、分束和探測過程中極易被吸收或散射，系統(tǒng)規(guī)模越大，損耗問題越嚴重。有效多光子干涉事件會隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數(shù)級下降，這成為制約光量子計算向大規(guī)模發(fā)展的主要瓶頸。東南大學薛鵬教授指出，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，而光子損耗問題尤為突出。

針對這一挑戰(zhàn)，中科大科研團隊提出了“源頭優(yōu)化+架構創(chuàng)新”的解決方案。首先，團隊自主研發(fā)的高效率光參量振蕩器（OPO）將單光源效率提升至約92%，系統(tǒng)總效率達到約51%，從光子產(chǎn)生的源頭減少了損耗。其次，團隊采用時空混合編碼技術，通過同時利用空間和時間兩個自由度來降低累積損耗。安徽大學王坤坤教授解釋說，這種技術如同在同一套硬件上實現(xiàn)“時間復用”，配合光纖延遲環(huán)實現(xiàn)“時間緩存”，無需大量增加器件即可構建更高維度、更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡。

這兩大技術的協(xié)同作用使“九章四號”成功實現(xiàn)了1024個輸入壓縮態(tài)、8176個輸出模式的大規(guī)模干涉，將光子事件規(guī)模推至3050光子量級。更關鍵的是，該原型機實現(xiàn)了連接度的立方級擴展，這是光量子計算架構上的顛覆性創(chuàng)新。薛鵬教授比喻說，如果將光子模式比作教室里的學生，連接度就是學生之間交流協(xié)同的能力。傳統(tǒng)方案中，增加學生只能帶來線性增長的能力提升，且會因干擾導致效率下降；而“九章四號”通過時空混合編碼，讓同一批“學生”在不同時間段反復開展多人聯(lián)動交流，實現(xiàn)了聯(lián)動配合復雜度與連接能力的爆發(fā)式增長。

這一突破不僅為光量子計算的后續(xù)發(fā)展奠定了關鍵技術基礎，更為研發(fā)測量驅動型光量子計算機和制備大規(guī)模三維簇態(tài)量子系統(tǒng)掃清了障礙。從“九章一號”到“九章四號”，中國光量子計算實現(xiàn)了從驗證量子優(yōu)越性到攻克損耗瓶頸，再到架構級創(chuàng)新的跨越。東南大學肖磊教授表示，未來量子計算將呈現(xiàn)異構生態(tài)，光量子路線在量子互聯(lián)網(wǎng)、分布式計算及專用采樣任務中具有不可替代性。我國已成為全球唯一在光量子和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)模化階段邁進的國家。

隨著“九章四號”的誕生，光量子計算正從實驗室走向實際應用。這項技術有望在藥物研發(fā)、材料設計、復雜優(yōu)化和量子通信組網(wǎng)等領域發(fā)揮重要作用，推動量子科技從理論構想轉化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，為科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新動能。