“九章”光量子计算机如何首次在国际上实现光学体系的量子优越性？ | 十万个量子为什么（九）

爱因斯坦在许多人心中已成科学真理的代名词，但实际上，百年前，爱因斯坦代表的经典物理学派与玻尔等人代表的量子学派之间的一系列著名论战，许多问题还没有最后答案。

量子纠缠长期是量子力学中最具争议的问题之一。量子纠缠是一种奇怪的量子力学现象，处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变，另一个的状态会瞬时发生相应改变。

在很长一段时间里，以爱因斯坦为代表的部分物理学家对量子纠缠持怀疑态度，爱因斯坦称其为“鬼魅般的超距作用”。他们认为量子理论是“不完备”的，纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递，也就是“隐变量”。

▲亦敌亦友的爱因斯坦和玻尔

20世纪60年代，物理学家约翰·贝尔提出可用来验证量子力学的“贝尔不等式”。如果贝尔不等式始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。

为了对贝尔不等式进行验证，美国科学家约翰·克劳泽设计了相关实验，并证明实验结果违反了贝尔不等式，且与量子力学预测相符。在此基础上，法国科学家阿兰·阿斯佩设计了新版本的实验，填补了克劳泽实验的重要漏洞，并提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，且没有“隐变量”。

奥地利科学家安东·蔡林格后来对贝尔不等式进行了更多的实验验证，进一步证实了量子力学的正确性。蔡林格和同事还利用量子纠缠展示了一种称为量子隐形传态的现象，即将量子态从一个粒子转移到另一个粒子。

2022年，诺贝尔奖颁发给阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）和安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命又在兴起。

▲2022年诺贝尔物理学奖得主阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）和安东·蔡林格。

“第二次量子革命”后，量子信息技术以量子力学原理为基础，发展出量子通信、量子计算和量子精密测量“三驾马车”飞驰前进。

2020年，中国科大团队成功构建76光子的“九章”光量子计算原型机，首次在国际上实现光学体系的“量子计算优越性”，这一突破也使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。光量子计算机长啥样？我国的光量子计算机如何首次在国际上实现光学体系的量子优越性？

光量子计算机长啥样？

那么，光量子计算机是由什么组成的呢？

光量子计算机如何实现量子优越性？

想要证明量子计算机具备应用价值，最重要的前提条件是验证它具有量子优越性。量子优越性指，量子计算机需要在特定的问题求解上，表现出超越经典计算机的能力，从而解决连超级计算机都无法在短时间内解决的计算任务。为了实现“量子计算优越性”，目前有两个算法，一个是用光子完成玻色取样，还有一个是用逻辑线路实现随机线路取样。光量子计算机就是通过第一种算法进行计算的。

2020年，“九章”实现了76个光子的操纵，首次在国际上实现光学体系的“量子计算优越性”。2021年的“九章二号”通过受激量子光源的技术使得能够操控的光子数达到了113个。2023年，“九章三号”通过发展时空解复用的技术达到了255个光子。

据“九章”量子计算实验室透露，目前已完成超过3000个光子的“九章四号”量子计算原型机的数据采集。初步预计，“九章四号”求解高斯玻色采样的速度，即使与运行最优算法、拥有无限内存的“前沿”超算相比，优势比至少达到1032，预期为量子计算优越性新的世界纪录。

光量子计算机是无所不能的吗？

目前的光量子计算机仅能在玻色采样、图论等特定问题的求解上实现量子优越性，仍是一种非通用的量子计算机。不过，“九章号”在光学体系实现量子计算优越性，也为制造通用量子计算机扫清了重要的技术障碍。相信在不久的未来，实用的量子计算机终将走进我们的生活。