2026年5月14日，中国科学技术大学潘建伟院士团队在《自然》（Nature）杂志上发表了一篇论文，报告了光量子计算原型机"九章四号"的研制成功。如果你关注量子计算，这个数字值得记住：3050个光子。

在量子计算的世界里，"操纵多少个粒子"是衡量一台量子计算机能力最直观的指标——类似于经典计算中"多少位CPU"的概念，但复杂程度远超后者。从九章一号的76个光子（2020年），到九章二号的113个光子（2021年），到九章三号的255个光子（2023年），再到今天的3050个光子，中国光量子计算路线在6年内实现了40倍的跨越。

但比起光子数的跃升，更值得关注的是九章四号在"解决什么问题"上的定位变化——它不再只是一台"用来证明量子优势存在的演示装置"，而是一台开始尝试解决实际科学问题的原型机。

高斯玻色采样：一台"量子赛车"的赛道

要理解九章四号做了什么，首先需要理解它在解决的那个问题——"高斯玻色采样"（Gaussian Boson Sampling, GBS）。

这是一个高度技术性的问题，但我们可以用一个类比来解释：假设你要组织一场有3000位嘉宾的晚宴，每位嘉宾与其他嘉宾之间都有不同程度的"话题契合度"（有些嘉宾聊得来，有些聊不来）。你的任务是找出一种座位安排，使得全场嘉宾的"总话题契合度"最高。在经典计算中，这个问题的计算复杂度随着嘉宾数量的增加而指数级爆炸——当有3000位嘉宾时，即便是全球最快的超级计算机（如美国的El Capitan），也需要亿万年才能穷举完所有可能性。

九章四号所做的，就是在光量子系统中"自然地完成"了这个采样过程。光子在干涉仪网络中的传播和探测，本质上就是在做GBS采样。九章四号在25微秒（0.000025秒）内完成了一次采样，而同样的任务，El Capitan需要的时间是10^54年——这个数字比宇宙的年龄还要大得多。

需要明确的是，"量子优势"（Quantum Advantage）和"量子实用"（Quantum Utility）是两个不同的概念。九章四号证明了光量子计算在特定问题上可以远远超过经典计算——这是量子优势。但它能否解决药物设计、材料模拟、优化调度等实际问题——这是量子实用，也是整个量子计算界最关注的下一个里程碑。

图4：九章系列光量子计算原型机性能演进｜数据来源：《自然》杂志

3050个光子意味着什么？技术拆解

操纵3050个光子，不是简单地"把更多光子打进系统"那么简单。这背后涉及三项核心技术的突破。

突破一：大规模可编程光量子干涉仪

九章四号的核心是一个包含1024个输入端口的可编程光量子干涉仪。你可以把它想象成一个有1024条入口、内部由数以万计的可调光分束器组成的"光子迷宫"。每个光子进入这个迷宫后，会在各个路径之间发生干涉，最终从某个输出端口探测到。通过编程控制这些分束器的参数，研究团队可以"编程"这个迷宫的结构，从而实现对不同问题的采样。

1024个输入端口意味着什么？在九章三号上，这个数字是144。从144到1024，不仅仅是规模的扩大，更是可扩展性架构的验证——它证明了光量子干涉仪可以像集成电路一样，通过标准化的模块扩展来实现规模增长。

突破二：高保真度单光子探测阵列

操纵3050个光子只是故事的一半；另一半是"探测到"这3050个光子。九章四号搭载了目前世界上规模最大的超导纳米线单光子探测器阵列，探测效率超过98%，暗计数率（误报率）低于100 Hz。这两个数字的组合，意味着系统可以在几乎不失真的情况下，准确记录每个光子的到达。

这里有一个技术细节值得注意：光子是玻色子（Boson），多个光子可以"占据同一个状态"——这与电子（费米子）截然不同。正是这一量子统计特性的利用，使得GBS采样在光量子系统中比在超导量子比特系统中更容易实现大规模扩展。这也是为什么中国的光量子路线和IBM、谷歌的超导量子路线，虽然是殊途但同样值得尊重的原因。

突破三：量子态层析成像与校准

操纵3050个光子之后，如何验证你真正操纵了3050个光子、而不是一堆噪声？九章四号团队开发了一套量子态层析成像（Quantum State Tomography）方案，可以对输出量子态进行全态重构。这是一项极其耗时的校准工作——团队在论文中披露，仅校准过程就消耗了超过6个月的时间。

图5：全球量子计算竞争力对比（2024-2026）｜数据来源：各团队公开论文

星汉二号：为量子互联网打下第一块基石

在九章四号问世的同一周（2026年5月8日），中科大团队还有另一项成果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）上——"星汉二号"多模式量子中继网络，实现了14.5公里的远距离物质纠缠。

为什么量子中继重要？因为量子通信的理想是"全球量子互联网"——让位于北京和纽约的两个量子计算机可以直接进行量子态传输（Quantum Teleportation）。但光子在光纤中传输时会衰减，通常超过100公里就衰减到无法探测。量子中继的原理，是通过"纠缠交换"（Entanglement Swapping）将长距离分割成多段短距离，逐段建立纠缠，再连接起来。

星汉二号实现14.5公里物质纠缠的意义在于：它首次在真实城市光纤网络（而非实验室光纤）中验证了多模式量子中继的可行性。中科大团队在合肥市内选取了一段14.5公里的真实通信光纤，成功实现了纠缠分发，保真度达到92%以上。

将九章四号和星汉二号放在一起看，一个更完整的图景浮现出来：中国在"量子计算"（九章系列）和"量子通信"（星汉系列、墨子号卫星）两个方向上同时推进，而这两个方向在未来的量子互联网架构中，恰好对应"计算节点"和"通信网络"两个核心组成部分。

图6：星汉系列量子中继网络性能演进｜数据来源：《自然·光子学》

独家视角：光量子计算的"隐藏优势"被低估了

业界在讨论量子计算时，目光往往聚焦在超导量子比特（IBM、谷歌的路线）上。光量子计算常常被视作"另一条路线"，但关注度不高。这种判断可能低估了光量子计算的一条"隐藏优势"：室温运行与芯片集成的兼得。

超导量子比特需要在接近绝对零度（约-273°C）的环境下运行，这带来了庞大的制冷设备成本和运维复杂度。光量子计算的核心部件（干涉仪、分束器）可以在室温下运行，唯一需要低温的是单光子探测器（部分方案）。这意味着光量子计算在"工程化部署"上的门槛，理论上比超导路线低得多。

更进一步，光量子器件与硅光子芯片（Silicon Photonics）的集成路径已经相对清晰。英特尔、台积电等半导体巨头均在布局硅光子技术——这意味着光量子计算可能可以"借用"经典半导体产业的制造能力，而不需要像超导量子那样从零建设专门的制造链。

九章四号的3050个光子，不只是一个数字纪录。它实际上是在向业界传递一个信号：光量子计算的可扩展性，可能比大多数人预想的要快。

距离"能用"还有多远？三个关键里程碑

九章四号问世后，最常被问到的问题是："它什么时候可以替代超算？"坦率地说，这个问题本身建立在一个误解之上——量子计算机不是来"替代"经典计算机的，它是来"合作"的。

那么，光量子计算距离解决实际问题，还有多远？我认为需要跨越三个里程碑：

里程碑一：从GBS到VQE的算法迁移（预计2027-2028）

当前九章系列的核心算法是GBS，它是一个"采样问题"，主要用于证明量子优势。下一步需要让光量子计算原型机能够运行变分量子本征求解器（VQE）等更接近实际应用的算法，从而在量子化学模拟、材料设计等领域产生价值。

里程碑二：可编程性的实质提升（预计2028-2029）

九章四号的可编程性仍然有限——它主要针对GBS问题做了优化。未来的光量子计算原型机需要做到"通用可编程"，即可以通过软件定义来执行不同类型的量子算法，而不需要每次都重新搭建硬件系统。

里程碑三：量子纠错的实现（预计2030+）

这是所有量子计算路线共同面临的终极挑战。当前的量子计算机都是"含噪声中等规模量子"（NISQ）设备，没有纠错能力。实现量子纠错，需要将数千个物理量子比特编码为1个逻辑量子比特——这对光量子系统来说，意味着需要将光子操纵规模从3050提升到百万级。

结语：九章四号的真正意义，不在于它"打败了超算"——这件事在2020年九章一号问世时就已经被证明了。它的意义在于：它让我们看到了一条从"量子优势"走向"量子实用"的、技术上可执行的路线图。3050个光子不是终点，它是一个路标。