目前世界上最快的超級計算機，求解特定數學問題約需10的42次方年。由中國科學家最新研製成功的“九章四號”量子計算原型機只需要25微秒，比超算快超過億億億億億億倍。

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、張強、劉乃樂等組成的研究團隊聯合國內多家科研單位，成功研製出1024個量子壓縮態輸入、8176模式的可編程量子計算原型機“九章四號”，首次操縱和探測高達3050個光子的量子態，再度刷新光量子信息技術世界紀錄。國際知名學術期刊《自然》13日發表了該成果。

什麼是量子計算機？它和我們日常用的電腦有什麼區別？“九章四號”為何那麼強？這次成果意味着啥？新華社記者獨家採訪科研團隊，帶來權威解讀。

問：啥叫量子計算機？

答：量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。與經典計算的普通比特不同，量子計算機用的量子比特不是隻有“0”或“1”，而是可以同時處於“0”和“1”的疊加態。藉助疊加態與糾纏態，量子計算能夠在同一時間並行處理大量計算路徑，在特定問題上實現指數級加速。

目前主流量子比特技術路線包括超導、離子阱、光量子和中性原子等。“九章四號”是光量子計算原型機，使用光子來編碼量子比特，通過對光子的量子操控及測量來實現量子計算，是“九章”（2020年）、“九章二號”（2021年）、“九章三號”（2023年）量子計算原型機的再升級版。

問：1024個量子壓縮態、8176模式、3050個光子是啥意思？

答：“1024個量子壓縮態”可以通俗地理解為這台量子計算機運行時的“高能燃料”。在光量子計算中，壓縮態光子具有極其特殊的量子特性，是構建複雜量子糾纏的基礎。

“8176模式”指的是光子在計算網絡中可以穿梭的“路徑”或“維度”的總數。你可以把這想象成一個有着8176個出口的超級三維立體迷宮，光子在裡面進行極複雜的干涉遊走。

“3050個光子”就是3000多個量子比特。此前，“九章三號”探測和操縱255個光子，“九章四號”提升了10倍多，意味着系統能夠代表和處理的計算狀態空間呈指數級增長，標誌着人類操控微觀量子世界的規模有了數量級的跨越。

問：“九章四號”最大的技術突破在哪？

答：光量子計算走向更大規模一直被一個叫“光子損耗”的“攔路虎”阻擋：隨着光學網絡越來越大、越來越複雜，光子在裡面極其容易跑丟，從而大幅削弱計算能力。

此次最大的技術突破在於團隊首創的“可編程時空混合編碼”架構。過去如果要擴大規模，只能通過增加光學器件，導致設備龐大且損耗極高。“九章四號”讓光子在時間和空間兩個維度上同時發生干涉，極大提升了整個網絡的連通性，又兼顧控制了物理器件的規模，進而獲得了對高達3050個光子的操縱和探測能力，帶來算力的指數級提升。

問：這次成果意味着啥？

答：目前“九章”系列是極為強大的專用量子模擬機，它只擅長解決“高斯玻色取樣”這樣特定的數學問題。這個數學問題短期內可用於圖像識別、圖論計算等，長遠還能生成玻色糾錯碼，是未來打造高穩定通用量子計算機的關鍵。

“九章四號”在規模與低損耗的雙重領先優勢為構建“萬億量子模式的三維簇態”和未來的“容錯光量子計算硬件”提供了可能，為未來的通用量子計算機奠定了堅實基礎。

實現通用量子計算機，需要操縱上百萬個量子比特，同時也要具備糾錯能力。這些都需要在現有量子計算原型機基礎上不斷迭代，慢慢實現。