登Nature！“九章四号”原型机问世，光量子计算中国绝对领跑！

2026年5月13日，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组成的联合团队，在国际顶级学术期刊《Nature》发表了题为”Gaussian boson sampling with 1024 squeezed states in 8176 modes”（8176个光学模式、1024个压缩态实现高斯玻色采样）的研究论文，刘华亮、粟昊、邓宇皓、龚思秋为论文共同第一作者，潘建伟、陆朝阳为论文通讯作者。

该研究成功研制“九章四号”可编程光量子处理器 ，实现了基于1024路高效压缩态、8176个输出模式的高斯玻色取样实验，将探测光子数提升至3050个，希尔伯特空间维度达到约10²⁴⁶¹，算力优势突破10⁵⁴ 倍，彻底超越当前最强经典超级计算机的模拟能力，为容错光量子计算与大规模量子信息处理开辟全新路径。

图：九章四号原型机示意图

来源：中国科学技术大学

这一成果不仅刷新了全球光量子计算的规模与效率纪录，更在经典算法持续迭代的背景下，稳固确立了光量子体系的计算优越性，是量子信息科学领域里程碑式的突破。

量子计算优越性，光量子路线的攻坚与挑战

量子计算凭借对特定问题的指数级加速能力，被视为颠覆经典计算体系的核心技术方向。而量子计算优越性，是指量子处理器在特定任务上，超越全球最强大经典计算机的算力极限，是验证量子技术实用价值的核心标志。

在众多量子计算路线中，光量子计算因室温运行、抗干扰性强、易规模化等优势，成为国际竞争的焦点。其中，高斯玻色取样（GBS）是实现量子计算优越性的关键模型：它无需复杂量子门，通过光子在大规模干涉仪中的传输与探测，即可完成经典计算机难以模拟的随机取样任务，同时还能为容错量子计算提供玻色纠错码等核心资源。

自2020年“九章一号”首次实现光量子计算优越性以来，全球团队持续推进实验升级，但始终面临一道核心瓶颈——光子损耗。随着系统规模扩大，光子在产生、传输、探测环节的损耗会急剧增加，不仅降低实验效率，还会被经典算法利用，大幅削弱量子算力优势。此前国际最先进的高斯玻色取样实验，系统整体效率仅32%—54%，探测光子数最高仅255个，经典算法已能实现部分模拟。

2021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”，量子优势比达到10¹⁰；2023年，“九章三号”再将光子数刷新至255 ，量子优势比进一步提升到10¹⁶，持续保持领先。

国际上，加拿大Xanadu公司联合美国国家标准与技术研究院，采用与“九章”相同的高斯玻色采样技术，于2022年发布了216光子的“北极光”处理器，成为国际上第二个实现光学体系量子计算优越性的团队。

如何在扩大规模的同时降低损耗，成为光量子计算突破的核心难题。潘建伟、陆朝阳团队历经多年技术攻关，在光源、光路、探测、相位锁定等全链条实现关键革新，最终研制出“九章四号”，彻底攻克这一行业痛点。

时空混合编码，破解规模化与低损耗矛盾

“九章四号”的核心突破，在于首创空间—时间混合编码架构，用最小的物理资源，实现指数级的系统规模与全连接特性，从理论层面解决了“规模越大、损耗越高”的固有矛盾。

传统光量子实验要么仅用空间编码，要么仅用时间编码，连接性与扩展性难以兼顾。而时空混合编码将空间干涉与时间延迟深度融合，通过三级全连接16模干涉仪，搭配两组光纤延迟环阵列，让光子在空间与时间两个维度上自由传输、相互耦合。

这种设计带来两大革命性优势：

连接性立方增长：系统连接性随16³=4096的规模立方提升，物理资源（干涉仪、光源、探测器）仅线性增加，用极少硬件实现超大规模量子态调控；

低损耗可扩展：光路采用模块化设计，每一级干涉仪模式传输效率达99%，配合高效光源与精准相位锁定，大幅降低光子损耗，让大规模实验成为可能。

同时，研究团队建立了完整的理论验证体系，针对当前最强的经典模拟算法——矩阵乘积态（MPS）算法，设计双重验证方案：既证明现有经典资源无法模拟“九章四号”的真实输出，也证明简化版经典算法无法逼近实验的量子统计特性，从理论上彻底排除经典模拟可能。

全链条技术革新，打造极致高效光量子系统

“九章四号”的成功，源于光源、光路、探测、相位锁定四大核心模块的全面突破，每一项技术都达到全球光量子领域的最高水平。

♦ 高效压缩光源：效率突破92%，全球最高

光子损耗的首要环节是光源产生。团队采用4台光学参量振荡器（OPO），结合三级级联非平衡马赫 — 曾德尔干涉仪与窄带滤波技术，实现99.8%的传输效率与40dB以上的消光比，压缩光源效率达92%，远超此前70%的国际最高水平。同时，不同光源输出的光子全同性达97%，保证量子干涉的精准性。

♦ 时空混合光路：8176模式，全可编程

光路核心是三级16模全连接干涉仪+两组光纤延迟环，短延迟环覆盖16个时间bin，长延迟环覆盖16×16个时间bin，时间间隔精准匹配探测器恢复速度，最终实现1024路输入压缩态、8176个输出量子模式的超大规模系统。

系统具备全程可编程能力：输入端可任意调控压缩态序列，光路端通过热调谐与压电陶瓷实现相位快速编程，单次实验运行中即可完成全域参数控制，满足多样化取样任务需求。

♦ 超导单光子探测：效率93%，快速响应

输出端采用16路超导纳米线单光子探测器，平均探测效率93%，恢复时间仅43ns，配合高效光路，系统整体效率达51%，是全球同规模实验的最高水平。高效探测让系统能捕捉到更多光子信号，最大探测光子数达到3050个，较此前提升一个数量级。

♦ 主动相位锁定：长期稳定，精度达纳米级

量子干涉对相位精度要求极高，团队设计三套主动锁相环路，分别锁定光源、一级延迟环、二级延迟环的相位，控制精度达1—10nm，可连续数十小时稳定运行，保证大规模实验的可靠性与可重复性。

实验设置三组不同规模的测试方案：S64（64路输入、4336模式）、M256（256路输入、5104模式）、L1024（1024路输入、8176模式），全面验证系统的扩展性与性能。

全方位验证，量子算力优势无可撼动

研究团队通过光子数分布、贝叶斯检验、关联函数benchmark、经典算法对抗测试等多重严格验证，确认“九章四号”完全实现量子计算优越性，且优势达到前所未有的水平。

♦ 光子数：突破3000个，量级飞跃

最大规模的L1024组实验中，系统平均探测光子数达2207个，最高单次探测3050个，较此前国际最高记录255个提升超10倍，光子数分布与理论真值完全吻合，与经典模拟模型（压缩态、热态、可区分光子）呈现显著偏离。

♦ 贝叶斯检验：量子信号纯度极高

贝叶斯检验是区分量子与经典信号的核心统计工具，结果显示，实验数据的贝叶斯得分始终为正，且随验证子系统规模扩大持续上升，证明实验信号100%来自量子干涉，而非经典噪声。

图：九章四号相对目前最快超级计算机的加速比

来源：中国科学技术大学

♦ 关联函数：高阶关联完胜经典模拟

团队测试二阶至四阶关联函数，发现实验数据在所有阶数、所有泵浦功率下，均显著优于经典模拟算法。尤其是高阶关联，量子与经典的差异更加明显，彻底排除IPS采样器、树宽采样器、贪心采样器等经典伪造方案。

♦ 对抗最强经典算法：彻底无法模拟

矩阵乘积态（MPS）算法是当前模拟损耗型高斯玻色取样的最强经典算法，团队通过双重测试证明：

若追求与实验一致的精度，经典模拟所需的键维度超过8×10²¹，计算量超出所有超级计算机能力；

若简化算法降低计算量，输出结果会严重偏离理论真值，无法伪造量子信号。

♦ 算力优势：超10⁵⁴倍，颠覆经典极限

以当前全球最强超级计算机“顶点”为基准，模拟“九章四号”L1024组的一次取样，经典计算机需要超过10⁴²年，而“九章四号”仅需25.6微秒，量子算力优势突破10⁵⁴倍，是人类目前实现的最悬殊量子计算优越性。

从量子优越性，走向容错量子计算

“九章四号”的突破，不仅是算力数字的提升，更标志着光量子计算从演示量子优越性，迈向实用化量子信息处理的关键阶段，具有三重核心意义。

♦ 稳固光量子计算的国际领先地位

自“九章一号”首次实现光量子计算优越性以来，团队持续迭代，“九章二号”“九章三号”不断突破规模极限，此次“九章四号”再次领跑全球，确立中国在光量子计算领域的绝对领先优势。

♦ 攻克规模化核心瓶颈，验证技术路线可行性

图：“九章四号”量子计算原型机实拍图

来源：央视新闻

时空混合编码架构与低损耗全链条技术，证明光量子计算可以在扩大规模的同时保持高效率，为后续构建万亿量子模式、三维簇态提供了可行技术路径，彻底打消业界对光量子规模化的质疑。

♦ 支撑容错量子计算与实用化应用

高斯玻色取样不仅是算力演示任务，更是容错量子计算的核心资源：可生成玻色纠错码、制备非高斯量子态，是连续变量量子计算的基础。同时，“九章四号”已可直接应用于图像识别、量子密码学、稠密子图搜索、分子模拟等实用场景，推动NISQ时代（含噪声中等规模量子）量子技术落地。

光量子计算，迈向实用化新时代

量子计算的发展分为三个阶段：实现量子计算优越性、构建含噪声中等规模量子处理器、实现容错通用量子计算。“九章四号”的成功，标志着中国光量子计算完美走完第一阶段，强势进入第二阶段。

未来，团队将继续沿着时空混合编码路线，进一步提升光源效率、扩大系统规模、实现非高斯态调控，向容错光量子计算机稳步迈进。同时，基于“九章”平台的实用化算法开发也将加速推进，让量子算力真正服务于药物研发、材料设计、金融优化、人工智能等领域。

从“九章一号”到“九章四号”，中国光量子计算用六年时间，完成了从跟跑到领跑、从演示到实用的跨越。这不仅是中国量子科技的骄傲，更是人类探索计算极限的重要一步。随着技术持续迭代，光量子计算将彻底打破经典计算的边界，开启全新的算力时代。

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-026-10523-6

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/L7np3i6etnPeZJ8x14Cq_Q

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/6yCTHYqqBNDj4ipWd7zTzQ

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/E1Vk0Vmz99n5G4w1LB0Hlw