九章4.0量子電腦：3050光子創下新紀錄

什麼是九章4.0？

**九章4.0（Jiuzhang 4.0）**是一台可編程的光子量子計算原型機，專門用來處理光學量子資訊任務。該裝置由中國科學技術大學（USTC）研究團隊研發，並在《Nature》期刊發表相關研究成果 。

它主要用來執行一種被稱為**高斯玻色子取樣（Gaussian Boson Sampling，GBS）**的量子計算問題。這類問題並不是一般用途的計算任務，而是專門設計來測試量子電腦是否能在某些計算上超越傳統超級電腦，也就是所謂的「量子計算優勢」 。

如何創下新的量子計算紀錄

在這項實驗中，研究團隊利用九章4.0進行了可編程的3050光子高斯玻色子取樣實驗，這是目前已公開的最大規模光子量子取樣實驗之一 。

系統的核心設計包括：

• 向量子處理器輸入 1024個高效率壓縮光態（squeezed states）
• 採用 8176個光學模式（modes）的可編程光子電路
• 在單次運行中操控並檢測最多3050個光子

這些設計使系統在保持較高實驗精度的同時，能大幅提升可處理的量子規模，並在噪聲與光子損失等實際限制下仍展示量子優勢 。

與九章3.0相比有哪些突破

2023年發布的九章3.0曾創下255個檢測光子的紀錄 。而九章4.0將規模提升到3050個光子，相當於超過十倍的提升 。

目前可確認的主要進步包括：

• 光子規模提升：從255個光子增加到3050個光子
• 可編程架構：九章4.0被設計為可編程光子量子處理器
• 更大光學模式系統：支援數千個光學模式與更複雜干涉網路

這些改進使實驗能處理更大規模的量子取樣問題，也使量子優勢的證據更加穩健。

與傳統超級電腦的速度差距

在高斯玻色子取樣這類問題上，量子系統與傳統計算機的差距可能極其巨大。

研究報導指出，九章4.0在該取樣任務上的計算速度可能超過目前最強超級電腦約10^54倍 。這種比較通常基於理論模擬成本估算，因為用經典演算法直接模擬如此規模的量子光學系統幾乎不可行。

早期研究也顯示，一些GBS實驗若用經典演算法模擬，可能需要數億年甚至更長時間，即使在大型超級電腦上也是如此 。

為什麼高斯玻色子取樣重要

高斯玻色子取樣（GBS）是量子計算研究中常用的「基準問題」。它的難點在於：

• 系統中的光子數量越多
• 光學模式越多
• 量子干涉越複雜

則用傳統電腦計算其概率分布的難度會呈指數級上升 。

因此，當量子裝置能在這類問題上大幅超越經典模擬能力時，就被視為展示了量子計算優勢（Quantum Computational Advantage）。

這項里程碑的真正意義

九章4.0的成果主要意義在於三點：

1. 光子量子計算規模大幅提升：3050光子的實驗規模是目前最大的光子量子取樣之一 。
2. 更強的量子優勢證據：在噪聲與經典演算法競爭下仍展示計算優勢 。
3. 推動可編程光子量子處理器發展：顯示光子路線在量子計算競賽中的潛力。

不過需要注意的是，九章4.0仍然不是通用型量子電腦。它主要用於特定取樣問題，而非像未來的容錯量子電腦那樣能執行任意量子演算法 。

換句話說，九章4.0更像是一個展示量子計算能力極限的重要實驗平台，但它同時也為未來更實用的光子量子計算機鋪平了技術道路。