中国"九章四号"再破世界纪录：3050 光子改写量子霸权

1. 九章系列：从 76 光子到 3050 光子的进化

2020 年 12 月，中国科大团队首次实现"九章"光量子计算原型机，操控 76 个光子，在"高斯玻色采样"问题上比当时最快的超级计算机富岳快 100 万亿倍。这一成果入选了当年《自然》杂志"十大科学突破"。

六年后的今天，九章系列已经完成了四次重大迭代：

从 76 到 3050 光子，跨度超过 40 倍；量子优势比从 10^5 到 10^54，意味着超算需要花费超过 10^42 年才能完成九章四号在 25 微秒内生成一个样本的计算。这就是量子计算的压倒性优势。

2. 核心技术突破

高效率光参量振荡器光源

九章四号最核心的创新在于研发了高效率光参量振荡器（OPO）光源，光源效率达到了惊人的 92%。这一突破使得系统能够在保持量子相干性的同时，将量子压缩态输入规模从 255 个提升至 1024 个。

时空混合编码架构

九章四号创新性地采用了时空混合编码方案。传统光量子计算面临的一大瓶颈是连接度——光子之间如何高效干涉。通过时空混合编码，系统实现了连接度的立方级扩展，干涉仪模式数达到 8176 模式。这一架构使得 3050 个光子的量子态操控成为可能。

系统总效率 51%

量子计算系统的一个关键指标是端到端效率。九章四号的系统总效率达到了 51%，这是光量子计算平台的最高水平。希尔伯特空间维度达到了约 10^2461 维——这个数字远远超过了可观测宇宙中所有原子的数量。

"By developing a high-efficiency OPO source and a spatiotemporal hybrid encoding architecture, we demonstrate Gaussian boson sampling with up to 3,050 photons, entering a new regime of quantum computational advantage."

— Nature, May 2026

3. 量子优势：10^54 倍意味着什么

九章四号生成的单个样本耗时仅 25 微秒。如果用目前全球最快的超级计算机——美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 El Capitan（峰值性能超 2 ExaFLOPS）——来生成同样的样本，需要超过 10^42 年。

作为对比，宇宙的年龄大约是 138 亿年，即约 1.38 × 10^10 年。这意味着即便是从宇宙大爆炸开始运行 El Capitan，距离完成九章四号的计算任务也还有天文数字般的差距。

这种优势不能用"更快"来形容——它是计算范式上的根本性差异。经典计算机受限于比特的 0-1 二进制本质，而量子计算机通过对光子量子态的并行操控，实现了指数级的计算空间扩展。

4. 国际量子竞赛格局

九章四号的发布进一步巩固了中国在光量子计算领域的全球领先地位。目前，中国是全球唯一在光量子和超导两条技术路线上都实现"量子计算优越性"的国家。

全球量子计算的主要技术路线：

• 光量子（中国·九章系列）：以九章四号为代表，在玻色采样问题上具有天然优势，操控光子数已达 3050 个。
• 超导量子（中国·祖冲之系列 / Google·Sycamore / IBM）：中国"祖冲之三号"、Google Willow 等超导量子处理器在特定问题上也已展示量子优势。
• 中性原子（法国·Pasqal / 美国·QuEra）：2026 年 5 月 21 日，Pasqal 首次证明逻辑量子比特在求解微分方程时优于物理量子比特。
• 离子阱（Quantinuum / IonQ）：在门保真度方面保持领先，适合高精度量子化学模拟。

5. 未来：从量子优越性到容错量子计算

九章系列的持续突破提出了一个重要的问题：从"量子计算优越性"到"实用量子计算"还有多远？

当前九章四号仍然是一个专用量子模拟器——它被设计为解决特定的玻色采样问题，而非通用量子计算。通往通用量子计算还需要解决两个核心挑战：

• 量子纠错：大规模逻辑量子比特的实现需要高效的纠错编码。Pasqal 近期的突破已经证明逻辑量子比特可以优于物理量子比特，但这距离大规模实用化仍有距离。
• 可编程性：九章系列的下一步目标是构建万亿级连续变量三维团簇态，实现真正的可编程光量子计算。

潘建伟团队在论文中指出，九章四号的技术积累——高亮度量子光源、时空混合编码架构、高效率探测系统——为构建容错光量子硬件奠定了坚实的基础。下一个里程碑可能不是九章五号，而是一个全新的、可编程的通用光量子计算平台。

量子计算的竞赛，才刚刚开始进入最激动人心的阶段。