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日前，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强、刘乃乐等，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。“九章四号”被应用于高效求解高斯玻色采样任务，其计算速度相比当前全球最快的超级计算机快1054倍（即量子优势比为1054），成功建立了国际上最强的“量子计算优越性”。论文于北京时间5月13日发表于国际期刊《自然》。
“九章四号”量子计算原型机胡毅洋摄
量子计算利用量子叠加与纠缠特性，在特定问题上实现远超经典计算机的处理能力。“量子计算优越性”指的是量子计算机在某个明确定义的数学问题上超越现有最强超级计算机。“量子计算优越性”是量子计算具备应用价值的前提条件，也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。
2020年，中国科大团队成功研制76光子的“九章”光量子计算原型机，在国际上首次在光学体系中实现量子计算优越性。次年，中国科大团队将光子数提升至113，推出可相位编程的“九章二号”，量子优势比进一步扩大；同时，中国科大团队56比特超导原型机“祖冲之二号”也宣告研制成功，使得中国成为全球唯一在两条技术路线上均达到量子计算优越性的国家。2023年，“九章三号”再将光子数刷新至255，量子优势比再次提升，持续保持领先。
“九章”系列专用量子计算原型机所执行的高斯玻色采样任务，不仅是展示量子计算优越性的重要模型，还可用于生成容错量子计算所需的玻色纠错码及大规模量子纠缠簇态。然而，在开发大规模量子处理器的过程中，由于编码线路日益庞大复杂，不可避免的光子损耗一直严重制约着系统的可扩展性。
针对这一问题，研究团队研发了高效率的光参量振荡器光源和时空混合编码干涉仪，将1024个高效率压缩态光场集成到一个时空混合编码的8176模式线路中，实现了92%的光源效率和51%的系统总效率。该时空混合编码架构实现了连接度的立方级扩展，使得系统能够在102461维的巨大希尔伯特空间中进行采样。这一系列创新使研究团队获得了对高达3050个光子的操纵和探测能力，比之前最好结果提升超过10倍。
“九章四号”量子计算原型机郑鸿洁摄
团队将实验结果与当前所有最先进的经典模拟方法进行了对比基准测试，特别是针对利用光子损耗而设计的矩阵乘积态算法。结果表明，“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目前最好的经典算法，需要超过1042年的时间，量子优势比达到1054量级。“九章四号”成果代表了低损耗光量子处理器在规模和复杂度上的重大飞跃，进一步巩固了我国在光量子计算领域的世界领先地位。