九章4.0：3,050光子量子電腦創新紀錄

量子電腦研究其中一個重要目標係證明 「量子優勢」（quantum advantage）——即量子系統能夠完成某些任務，而傳統電腦幾乎無法在可行時間內模擬。

中國科學技術大學（USTC）研究團隊開發嘅 「九章4.0」光子量子電腦原型，就係目前其中一個最大規模嘅相關實驗。研究人員成功進行 3,050光子 Gaussian boson sampling，令光學量子實驗嘅規模再創新紀錄。

九章4.0係乜？

九章4.0係一個 可編程光子量子處理器。同一般用超導量子比特（qubits）嘅量子電腦唔同，佢係利用 光子喺複雜光學網絡入面傳播同干涉 來進行計算。

呢套系統專門用嚟運行一種叫 Gaussian boson sampling（GBS） 嘅問題。簡單講，就係大量光子穿過一個複雜干涉儀，最後形成一個非常複雜嘅輸出分佈；當光子數量越多，用傳統電腦計算呢個分佈就會變得極其困難。

喺九章4.0嘅實驗入面，研究團隊：

• 注入 1,024個高效率壓縮態光源（squeezed states）
• 使用 8,176個光學模式嘅可編程光子電路
• 在取樣事件中 檢測到最多3,050個光子

呢啲設計令系統可以產生極為複雜嘅光學干涉模式，從而對應到GBS嘅計算問題。

打破光子量子實驗紀錄

根據研究結果，九章4.0將 Gaussian boson sampling 實驗涉及嘅光子數量大幅提升，被研究團隊形容為 光學量子資訊技術嘅世界紀錄。

研究報告指出，在某些計算模型假設之下，該系統完成取樣任務嘅速度 可能比現今最強嘅超級電腦快超過 10^54 倍。

當然，呢類比較會受模擬方法同演算法影響，但整體上仍然被視為 強而有力嘅量子計算優勢證據：即量子系統能完成一啲傳統電腦難以有效重現嘅計算。

同九章3.0相比有幾大進步？

九章4.0係同一科研團隊光子量子電腦系列嘅最新版本。

上一代 九章3.0 在2023年嘅實驗中曾檢測到 255個光子。

今次新系統主要有幾方面升級：

光子規模

• 九章3.0：255個光子
• 九章4.0：最多 3,050個光子，超過十倍增長

系統架構

• 新系統加入 1,024個壓縮態光源 同 8,176模式光子電路，令整個干涉網絡複雜度大幅提升。

可編程能力

• 九章4.0設計成 可編程光子平台，可以配置不同光學變換，而唔只係一次性固定實驗。

呢啲改進令設備能夠生成更大型嘅量子態同更複雜嘅取樣分佈。

Gaussian boson sampling 點解重要？

GBS本身並唔係通用計算問題，而係一種 量子優勢基準測試（benchmark）。

問題難度來自計算光子偵測機率所需嘅數學運算。例如需要計算 loop hafnian 等函數，當光子數量增加時，計算複雜度會呈指數級增長。

因此，只要光子數量同光學模式夠大，傳統電腦模擬就會變得極度耗時甚至不可行。

對量子計算未來意味住乜？

九章4.0顯示 光子量子硬件可以擴展到數千光子規模，而且仍然保持足夠精度完成量子優勢實驗。

呢個里程碑有幾個重要意義：

• 更強嘅量子優勢證據：實驗規模越大，傳統演算法追上的難度越高。
• 推動光子量子架構發展：光子系統可以在室溫運作，並且適合長距離傳輸。
• 為未來量子電腦打基礎：擴展光源、探測器同光學電路係建立容錯量子系統嘅關鍵。

不過要注意，九章4.0仍然唔係通用量子電腦。佢只係針對特定取樣問題，而未能運行任何任意量子演算法。

全球量子計算競賽的一部分

現時量子電腦發展其實係多條技術路線同時競爭，例如：

• 超導量子比特
• 離子阱量子電腦
• 中性原子系統
• 光子量子電腦

九章4.0嘅 3,050光子實驗，係目前最大規模嘅光子量子展示之一，將光學量子處理器能力推到新邊界。

未來呢類系統能否進一步發展成 容錯（fault‑tolerant）通用量子電腦，仍然係研究界一個重要挑戰。不過今次成果顯示，光子量子技術正快速向呢個目標前進。