2026年5月13日，国际知名学术期刊《自然》刊登了一则震动全球科学界的消息：中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐等组成的科研团队，联合济南量子技术研究院、山西大学、清华大学、上海人工智能实验室、崂山实验室、国家并行计算机工程技术研究中心等单位，成功研制出1024个量子压缩态输入、8176模式的可编程量子计算原型机“九章四号”，首次操纵和探测高达3050个光子的量子态，再度刷新光量子信息技术世界纪录。
这一成果意味着什么？通俗地说，这台量子计算机求解某些特定数学问题，只需要25微秒——而用目前世界上最强大的超级计算机，采用最好的经典算法，需要的时间超过10的42次方年。这个数字之庞大，已经远远超出我们的日常经验：比超算快了超过10的54次方倍，也就是我们常说的”亿亿亿亿亿亿倍”。
什么是量子计算机？它和普通电脑有何不同？
要理解九章四号的厉害之处，我们首先需要弄清楚一个基本问题：量子计算机到底是怎么回事？
我们日常使用的电脑，无论是手机里的芯片还是超级计算机，其核心计算单元都基于经典的”比特”。一个经典比特就像一个开关，只能处于”0″或”1″两种状态之一。你可以把它想象成一枚硬币，要么正面朝上，要么反面朝上。
而量子计算机使用的”量子比特”则完全不同。量子比特遵循量子力学的规律，可以同时处于”0″和”1″的叠加态——就像一枚旋转的硬币，同时蕴含着正面和反面的信息。更为神奇的是，多个量子比特之间还可以形成”量子纠缠”，使得一个量子比特的状态变化会立即影响到与之纠缠的其他量子比特，无论它们相距多远。
这种叠加态和纠缠赋予了量子计算一种经典计算无法企及的能力：并行处理。想象一下，你在迷宫中寻找出口，经典计算机只能一条路一条路地试探；而量子计算机可以同时探索所有可能的路径。这种指数级的并行优势，使得量子计算在处理某些特定类型的问题时，能够实现远超经典计算机的算力。
目前，全球主要研究的量子比特技术路线包括超导量子计算、离子阱量子计算、光量子计算和中性原子量子计算等。其中，光量子计算使用光子来编码量子比特，具有天然的优势：光子不易受环境干扰，可以在室温下运行，而且可以通过光纤进行长距离传输。”九章”系列就是光量子计算原型机的代表。
从”九章”到”九章四号”：一场持续六年的技术长征
回顾”九章”系列的发展历程，我们能够清晰地看到中国科学家在光量子计算领域是如何一步步走向世界前沿的。
2020年，中国科学技术大学团队成功构建”九章”光量子计算原型机，首次在光学体系实现量子计算优越性——这意味着在特定问题上，量子计算机首次超越了最强经典计算机。
2021年，”九章二号”问世，光子数量从76个提升到113个。
2023年，”九章三号”再次刷新纪录，探测和操纵255个光子。
而刚刚发布的”九章四号”，将这个数字一举提升到了3050个——相比前代提升了超过10倍，创造了新的世界纪录。
这个数字的增长意味着什么？每增加一个光子，系统的计算能力就会呈指数级增长。3050个光子意味着系统能够代表和处理的计算状态空间有了数量级的跨越，标志着人类操控微观量子世界的规模达到了前所未有的水平。
最大的技术突破：如何驯服”光子损耗”？
然而，光量子计算走向更大规模一直面临一个重大挑战：光子损耗。
在光量子计算中，光子需要在复杂的光学网络中穿行、干涉。随着光学网络越来越大、越来越复杂，光子在里面极其容易”跑丢”——被吸收、散射或者偏离预定路径。一旦光子丢失，量子态就会被破坏，计算也就失败了。这就像一个超级迷宫，如果迷宫太大太复杂，信使很可能会在找到出口之前就迷路或者体力耗尽。
过去，研究团队要扩大系统规模，只能通过增加光学器件的数量。但这种方法会带来一个恶性循环：器件越多，光子需要经过的路径越长，损耗就越大，最终反而导致系统性能下降。
“九章四号”的突破性创新在于：团队首创了”可编程时空混合编码”架构。这是什么意思呢？
让我们用一个通俗的比喻来理解。传统的扩大规模方式，就像在一个平地上不断扩建迷宫——迷宫越大，墙壁越多，光子迷路的机会也越大。而”时空混合编码”则相当于将迷宫变成一个多层建筑，同时在时间和空间两个维度上安排路径。这种设计大大提升了整个网络的连通性，却又不需要成比例地增加物理器件的规模。
具体来说，”九章四号”实现了8176模式的计算网络——你可以把它想象成一个有着8176个”出口”的超级三维立体迷宫，光子在里面进行极复杂的干涉游走。同时，团队还研发了高效率的光参量振荡器光源，能够产生大量高质量的压缩态光子。
正是这两项关键技术的结合，使得”九章四号”能够在控制硬件规模的同时，大幅提升系统的规模和性能，最终实现了对3050个光子的稳定操纵和探测。
25微秒与10的42次方年：量子优势的巨大跨越
让我们更具体地感受一下”九章四号”的算力。
在高斯玻色取样这个特定任务上——这是一种用于展示量子计算优越性的重要数学问题——”九章四号”生成一个样本仅需25微秒。而使用目前世界上最强大的超级计算机和最好的经典算法，求解同一问题需要超过10的42次方年。
10的42次方年是什么概念？我们的宇宙从大爆炸至今也不过约138亿年，即1.38×10的10次方年。10的42次方年是宇宙年龄的约10的32次方倍——一个我们几乎无法想象的数字。
“九章四号”的量子优势比——也就是量子计算机相对于经典计算机的加速倍数——达到了10的54次方量级。这不仅是数字上的增长，更代表着人类在操控量子世界方面实现了质的飞跃。
为什么是”高斯玻色取样”？这台计算机能做什么？
看到这里，你可能会问：这种量子计算机只能做一种特定的数学运算，它到底有什么用？
这确实是”九章”系列目前的定位：它们是极为强大的专用量子模拟机，擅长解决”高斯玻色取样”这类特定问题。但正是这些专用任务的突破，为更广泛的应用奠定了基础。
高斯玻色取样虽然在日常生活中不常见，但它具有重要的应用前景。在短时间内，这项技术可以应用于图像识别、图论计算、网络优化等需要处理大量复杂模式的领域。从长远来看，高斯玻色取样与生成玻色纠错码密切相关——而纠错码正是未来打造高稳定性通用量子计算机的关键技术。
更重要的是，”九章四号”的成果为构建”万亿量子模式的三维簇态”和未来的”容错光量子计算硬件”提供了可能。通过这种技术路径，研究团队有望在逐步增加量子比特数量的同时，保持系统的稳定性和可控性，最终实现具有实用价值的通用量子计算机。
中国在全球量子计算版图中的位置
“九章四号”的成果再次证明了中国在光量子计算领域的领先地位。值得一提的是，中国不仅是这一领域的领跑者，还是全球唯一在光量子计算与超导量子计算两条量子计算技术路线上均实现”量子计算优越性”的国家。
2021年，中国科学技术大学团队研制的”祖冲之二号”超导量子计算原型机，成功实现了量子计算优越性，在超导路线上与谷歌的”悬铃木”形成东西对峙的格局。而在光量子路线上，”九章”系列从2020年起就一直保持着世界纪录。
这种”双轨并行”的战略布局意义重大。不同的量子计算技术路线各有优劣：超导量子计算与现有半导体工艺兼容性好，但需要极低温环境；光量子计算可以在室温下运行，且光子不易退相干，但大规模扩展面临光子损耗的挑战。通过同时推进多条技术路线，中国既分散了技术风险，又能在不同路线上积累经验、相互借鉴。
从全球视角来看，量子计算已经成为大国科技竞争的焦点之一。美国、欧盟、日本、加拿大等国家和地区都在加大投入力度。在这场竞争中，”九章四号”的成果让中国继续保持在光量子计算领域的绝对优势，为未来的科技话语权奠定了坚实基础。
从专用到通用：量子计算还有多远？
那么，我们距离真正的通用量子计算机还有多远？
实现通用量子计算机，需要同时满足两个条件：一是能够操纵足够多的量子比特（至少上百万个）；二是具备纠错能力，能够容忍计算过程中不可避免的错误。
目前，即使是”九章四号”这样的顶级原型机，也只能操纵几千个量子比特，而且主要用于特定任务。要实现通用量子计算，量子比特数量还需要增加几个数量级。
但这并不意味着我们原地踏步。每一次像”九章四号”这样的突破，都在为最终目标添砖加瓦。更大规模、更高效率的光学系统，更巧妙的编码架构，更精确的光子操控技术——这些进步都在积累量变的能量，等待质变的到来。
正如陆朝阳教授所说，光量子计算走向更大规模一直被”光子损耗”这只”拦路虎”阻挡。而”九章四号”首创的时空混合编码架构，为绕过这个障碍提供了一条新路径。这是向容错量子计算迈出的关键一步。
写在最后
回顾人类计算工具的发展历史，从结绳记事到算盘，从机械计算器到电子计算机，每一次计算能力的飞跃都深刻改变了人类文明的进程。量子计算，被普遍认为是下一轮计算革命的中心战场。
“九章四号”的成果，不仅是某个实验室的技术进步，它代表着人类在认识自然、利用自然规律方面又迈出了重要一步。当我们能够精确操控3050个光子，让它们在8176个模式中和谐共舞，这本身就是对自然奥秘的一次深刻诠释。
当然，量子计算走向实用化还有很长的路要走。但正是这些脚踏实地的突破，让我们有理由相信：那个量子计算从实验室走向千家万户的未来，并非遥不可及的梦想，而是一个正在逐步到来的现实。
下一次当你听到量子计算机创造了新的世界纪录时，不妨记住这串数字：3050个光子，8176个模式，25微秒，以及10的42次方年——这些数字背后，是科学家们对未知的勇敢探索，是人类智慧对自然法则的又一次致敬。
来源：本文综合整理自新华社、《自然》期刊及相关媒体报道，数据截至2026年5月。
发表回复