11日，中国科学技术大学的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队，与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。

1981年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出量子计算机构想。作为信息科技“后摩尔时代”一种新型计算范式，量子计算在原理上具有超快并行计算能力，可通过特定算法产生超越传统计算机的算力，解决重大经济社会问题。

“九章三号”实验装置示意图。（中国科学技术大学供图）

2020年，潘建伟团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题的速度比当时最快的超级计算机快一百万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。2021年，他们进一步成功研制113个光子的“九章二号”和66比特的“祖冲之二号”量子计算原型机，使中国成为唯一在光学和超导两条技术路线都实现“量子优越性”的国家。

近两年，他们在理论上首次开发了包含光子全同性的新理论模型，实现更精确的理论与实验吻合度，同时发展了完备的贝叶斯验证和关联函数验证。

“我们研制了基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，首先把多光子态分束到不同空间模式，然后通过延时把空间转化为时间，实现了准光子数可分辨的单光子探测系统。”研究团队成员、中国科大教授陆朝阳说，这些创新使团队首次实现了对255个光子的操纵能力，极大提升计算的复杂度。

根据业界公开发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比“九章二号”提升一百万倍，“九章三号”1微秒可算出的最复杂样本，当前全球最快的超级计算机“前沿”（Frontier）约需200亿年。

10月11日，国际知名学术期刊《物理评论快报》发表了该成果。

据悉，未来的通用型量子计算机可望在密码破译、天气预报、材料设计等领域发挥作用，目前的“九章三号”还只是具有潜在应用价值的“单项冠军”。

潘建伟团队表示，期待这次突破能激发科学界更多关于经典算法模拟的研究，解决各种科学和工程挑战，加快实现通用型量子计算机。

01

光量子到底是什么？

光量子又称为光子。这个名词是爱因斯坦1905年在公开发表的一篇著名论文中首先提出的，由于光子学说的巨大成功，爱因斯坦获1921年诺贝尔物理学奖。

那么，究竟什么是光量子呢？在日常生活中，光是最为人们所熟悉的东西。如果没有光，人们简直无法生活。但是，人们认识光的本性却经过了艰难而又曲折的道路。

以牛顿为代表的一种理论认为，物体发光是因为它发射出光的粒子（微粒）流，我们之所以能看到光，是由于这些粒子落到眼睛上引起了视觉。按照这个理论，人们把光的反射现象解释为光的粒子在反射面上发生了弹性碰撞而造成的结果。

然而与牛顿同时代的惠更斯则认为，物体发出的光是一种波动，这种波动不同于人们通常观察到的水波和声波——它们都有传播波动的介质，水波的传播介质是水，声波的传播介质是空气或其他液体和固体，而光波的传播是在真空中进行的，也就是说光波以真空为介质。

这两种理论一开始就发生了冲突，但由于牛顿在科学界的崇高威望，光的微粒说在很长一段时间内占统治地位。直到19世纪初，杨氏、菲涅尔、夫琅和费新发现的光的干涉、衍射和偏振现象，与惠更斯的光的波动说十分吻合，而牛顿的光的微粒说对此却无法做出解释。

随着光学仪器的发展，光学理论也有了很大的进展。麦克斯韦证明了光波是一种电磁波后，光的波动理论似乎完全被实验所证实，光是波动的说法也为人们普遍接受。

但是，光是波动的理论在光电效应的实验结果面前却一直显得无能为力。所谓光电效应指的是：当用光照射金属表面时，会把电子从金属中打出来。早在1872年，莫斯科大学的斯托列托夫就已发现了这个现象，以后德国物理学家赫兹和雷纳德对此也进行了研究。当人们试图用光的波动说去解释光电效应时，得出的结论是：当光的强度增大时，从金属中被打出来的电子的速度也应增大。而实验结果表明，用同一频率的光照射时，不论光的强度多大，所有观察到的电子都具有同样的速度，也就是说，从金属中被打出来的电子的速度与光的强度无关！而且当光的频率达到某个极限值时，才会在光照条件下使电子从金属中飞出。而且，从金属中能不能打出电子与光的频率有关，即用紫光照射时飞出电子的速度比用红光照射时飞出电子的速度大！于是，光是波动的说法在实验面前陷入了困境。

爱因斯坦以创造性的思维完全从一个不同的角度去考察了光电效应。他提出了光是光量子的理论。按照这个理论，光的能量是由一份一份的不连续的最小单元能量组成的，而这个单元能量大小和光的频率正好成正比关系。光仍然像波动一样具有频率（或波长），但是光还具有微小“粒子”的特性——一个一个的能量单元。这样，光无非就是一束能量流，其中最小的单元能量就称为光量子（光子）。当光照射到金属表面时，光就把光量子的能量传递给电子，光量子就消失了，而电子得到光子的能量，再加上它自身的能量就可能从金属中飞出。由于光量子能量只与光的频率有关，因此只有大于一定频率的光，才能提供足够的能量使电子从金属中被打出来。这样，光量子的理论就以简洁清晰的方式解释了光电效应。

爱因斯坦的成功使他荣获了诺贝尔物理学奖，但是光量子理论却把100多年前关于光的本性的问题的讨论又重新摆到人们面前，光究竟是什么？是波动还是粒子？

物理学的发展已经使人们不得不接受这样的说法，即光有时以波动的面目出现（如光的干涉和衍射），有时又以粒子的姿态出现（如光的人射和反射），但是光既不是如同水波、声波那样的波动，也不是如同微小质点那样的物质粒子，光具有波动－粒子的二象性，也就是波粒二象性。

那么为什么人们看到的太阳光或其他光源发出的光总是稳定的、连续的，而不是一份一份的呢？这是因为光量子的能量微乎其微，用数学形式表示出来就是著名的普朗克关系E=hv，h称为普朗克常数，数值是6.62618×10-34焦 秒，虽然这个数值如此微小，但对于物理学的发展，对于人们认识光的本性的作用却大得很呢。假设我们点亮一盏25瓦的电灯泡，并把发出的光都看成黄光，那么这束光就包含有6×1019个光量子的能量单元，或者说，这束光发出了6×1019个光量子，即每秒发出6000亿亿份能量单元。由于人的肉眼具有的视觉暂留特征，因此，当如此多的光量子以如此快的速度人射时，人的眼睛根本察觉不到一份一份的光量子，所看到的就是一束连续的光。

由此可见，光量子指的是能量的最小单元，它不是物质粒子。虽然光量子的能量大小与频率有关，但它也不是通常我们看到的波动。

总的来说，量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。

02

量子计算发展方向

量子计算作为一种全新的计算范式，其发展方向广泛而多样。在未来，我国量子计算领域的发展将主要聚焦于以下几个方向：

1.量子计算硬件：继续研发具有更高精度、更高稳定性、更大规模的量子计算硬件，为实现通用量子计算机奠定基础。

2.量子算法与软件：深入研究量子算法，开发高效、实用的量子软件，提高量子计算的运行效率。

3.量子通信与量子安全：利用量子计算技术，发展量子通信和量子安全技术，为信息安全提供全新解决方案。

4.量子计算应用：积极探索量子计算在优化问题、人工智能、材料科学、药物研发等领域的应用，推动量子计算技术与实际需求的深度融合。

量子计算技术的应用范围极为广泛，几乎涵盖了科学研究、工业、金融、医疗等各个领域。例如，在优化问题方面，量子计算可以大幅提高求解效率，为企业降低运营成本；在人工智能领域，量子计算可以为深度学习、自然语言处理等任务提供更强大的计算能力；在材料科学和药物研发方面，量子计算可以帮助科学家更快地发现新型材料和药物，推动科技进步。

最后

“九章三号”的成功研制，对我国乃至全球科技发展产生了深远影响。首先，它有力地推动了我国量子计算领域的技术创新和产业发展，为我国科技进步作出了重要贡献。其次，“九章三号”的成功也激励了全球其他国家和地区在量子计算领域的研究，推动了全球科技的进步。最后，“九章三号”的成功还为解决全球性问题，如气候变化、能源危机、疫情防控等，提供了新的科技支撑。

总之，“九章三号”量子计算原型机的成功研制，标志着我国在量子计算领域取得了重大突破。在未来，我国将继续加大量子科技研究投入，推动量子计算技术的发展与应用，为全球科技进步贡献更多力量。

文章来源： 科技日报，新华社， 晴方宇