九章与祖冲之

一、从76到3050

2020年12月，当"九章"以76个光子首次实现量子优越性时，国际学术界沸腾了。论文发表在Science上，审稿人称之为"一个最先进的实验成果"。

但更令人震撼的不是76这个数字本身，而是之后发生的事。

2021年，113个光子——九章二号。算力提升10倍。

2023年，255个光子——九章三号。

2026年5月，3050个光子——九章四号。一次提升超10倍。论文发表在Nature上。

五年，四个版本，光子数从76到3050——增长40倍。这不是渐进式改良，这是指数级跃迁。

同一时期，另一条超导路线的"祖冲之"系列也在默默追赶：62比特、66比特、105比特——每一步都在逼近物理极限。

两条路线，两个名字，一个团队。潘建伟领导的这场量子长征，正在改写全球量子计算的版图。

二、潘建伟：一个物理学家的量子长征

1970年，潘建伟生于浙江东阳。1987年考入中国科学技术大学近代物理系，本科毕业后远赴维也纳大学，师从Anton Zeilinger攻读博士学位。

Zeilinger是量子信息领域的开创者之一，以贝尔不等式实验和量子隐形传态闻名。在维也纳的五年，潘建伟参与了多项开创性实验——包括2003年实现的最远距离量子隐形传态（600米多瑙河底光纤）。

2001年，潘建伟做出一个关键决定：回国。他回到中科大，建立了量子物理与量子信息实验室。当时中国的量子信息研究几乎是一片空白——没有成熟的实验平台，没有充足的经费，国际上也没有多少人相信中国能做出世界级的量子实验。

十五年后的2016年8月16日，酒泉卫星发射中心，长征二号丁运载火箭将"墨子号"量子科学实验卫星送入轨道——全球首颗量子科学实验卫星。它在1200公里的轨道高度实现了星地量子密钥分发和量子纠缠分发，验证了天地一体化量子通信的可行性。

2022年，Zeilinger因量子信息实验获诺贝尔物理学奖。潘建伟的博士导师站上了斯德哥尔摩的领奖台——而潘建伟自己，正在合肥的实验室里推进一个更大的计划。

潘建伟团队选择了一个不同寻常的策略：两条路线并行。光量子计算由陆朝阳领衔，超导量子计算由朱晓波领衔。陆朝阳是潘建伟的博士生，2014年回国后主导了九章系列的全部工作；朱晓波则是超导量子比特领域的顶尖实验物理学家，2018年加入团队后主导了祖冲之系列。

两条路线背后是一个清晰的三阶段发展路径：

• 第一阶段：实现量子计算优越性——已达成（九章、祖冲之二号）
• 第二阶段：研发专用量子计算模拟机——当前阶段
• 第三阶段：研制可编程的通用量子计算机——远期目标

目前，中国量子计算已进入第二阶段。但"进入"不等于"完成"——从优越性到实用模拟机，中间横亘着巨大的工程鸿沟。

三、九章系列：光量子计算的飞跃

九章：76个光子的宣言

2020年12月4日，Science发表了九章的论文。76个光子、100个模式的高斯玻色取样（GBS）实验，完成采样只需200秒——据估计，当时世界最快的超级计算机"富岳"需要6亿年。

速度差距：10万亿倍。

这是继谷歌Sycamore之后，全球第二个实现量子优越性的实验，也是第一个在光量子路线上实现的。和Sycamore不同的是，九章使用的是"专用"计算架构——它只能做GBS这一个任务，但不能做通用计算。

九章二号与三号：稳步推进

2021年，九章二号将光子数推进到113个，算力比初代提升10倍。2023年，九章三号达到255个光子。每一步都不是简单的规模放大——光源效率、干涉仪精度、探测效率都在同步提升。

九章四号：3050个光子的跃迁

2026年5月，Nature发表了九章四号的论文。这次不再是"稳步推进"，而是一次跨越式跃迁。

核心参数：

• 1024个量子压缩态输入，8176个光学模式
• 高效率光参量振荡器光源：单光源效率92%，系统总效率51%
• 时空混合编码干涉仪：同时利用空间与时间自由度，连接度实现立方级扩展
• 生成单一样本仅需25微秒，等效超算需10⁴²年以上

其中最关键的突破是时空混合编码。传统的光量子计算只用空间自由度——光子走不同的路径，路径之间用分束器连接。但当光子数增加到数千时，空间编码需要的分束器数量以指数增长，物理上几乎不可能实现。九章四号的解决方案是：在空间编码的基础上，引入时间自由度——让光子在不同的时间窗口进入干涉仪，利用延迟线实现不同时间窗口之间的干涉。空间和时间两个维度同时利用，连接度从平方级扩展到立方级，用有限的物理规模实现了巨大的计算空间。

这就像从二维平面跳跃到三维空间——同样的占地面积，容积却大了整整一个维度。

论文第一作者：刘华东、苏航、邓宇浩等。其中刘华东是九章系列的核心实验骨干，从初代九章到九章四号，他全程参与。

四、祖冲之系列：超导量子计算的追赶

祖冲之号：62比特起步

2021年5月，祖冲之号问世——62个量子比特的超导量子计算原型机。它采用二维可调耦合架构，每个量子比特可以和相邻比特灵活耦合或解耦，为后续扩展奠定了架构基础。

祖冲之二号：66比特，量子优越性

2021年10月，祖冲之二号以66个量子比特完成了随机线路取样（RCS）实验，速度比当时最快的超算快约1000万倍。这是中国超导量子计算首次实现量子优越性。

值得注意的是，祖冲之二号的优越性展示与谷歌Sycamore使用了相同的基准任务（RCS），但比特数从53增加到66，线路深度也从20层提升到更复杂的水平。

祖冲之三号：105比特的新高度

2024年12月arXiv预印本，2025年3月正式发表在Physical Review Letters上。祖冲之三号代表了目前中国超导量子计算的最高水准。

核心规格：

• 105个量子比特 + 182个耦合比特
• 单比特门保真度99.90%，双比特门保真度99.62%
• 倒装芯片技术和蓝宝石芯片架构——降低串扰、提高一致性
• 完成83比特32层随机线路采样，速度超超算15个数量级

蓝宝石芯片架构是祖冲之三号的关键创新。传统超导量子芯片使用硅衬底，但硅的介电损耗在极低温下仍不可忽略。蓝宝石的介电损耗比硅低一个数量级以上，能显著降低量子比特的能量弛豫——让量子比特活得更久。倒装芯片技术则将量子比特和控制电路分置在两块芯片上，通过铟凸点连接——量子比特芯片只负责"安静地保持量子态"，控制电路芯片负责"吵闹地发送信号"，互不干扰。

PRL审稿人评价："构建了目前最高水准的超导量子计算机。"

祖冲之3.2号：码距7表面码实现低于纠错阈值

2025年12月，祖冲之3.2号实现了码距7表面码低于纠错阈值——"越纠越对"。这一成果入选2025年度中国十大科技进展新闻。我们在上一章已经详细讨论了这项工作的意义：它证明了全微波控制路径也能低于阈值，为未来大规模扩展提供了更高效的工程方案。

五、九章vs祖冲之：两条路线的深层逻辑

九章和祖冲之代表了量子计算的两种根本不同的物理实现。

光量子计算（九章）：用光子作为量子比特，利用光学干涉仪实现量子门操作，用单光子探测器读出结果。光子的优势是天生的——它在室温下飞行几乎不与环境交互，退相干时间极长，不需要极低温。但光子很难"停下来"和"存起来"，两个光子之间也很难直接交互。这意味着光量子计算天然适合某些特定的采样任务（如GBS），但很难实现通用的量子逻辑门。

超导量子计算（祖冲之）：用超导电路中的量子态作为量子比特，通过微波脉冲控制量子门的操作。超导比特的优势是可以像芯片一样设计和制造，天然支持通用量子门操作——你可以运行Shor算法、Grover算法、VQE，任何量子算法理论上都能跑。但代价是需要15mK的极低温，且退相干严重——目前最先进的超导比特寿命仅约100微秒。

所以，九章是"专用量子计算"——做GBS这一个任务极强，但不能做通用计算。祖冲之是"通用量子计算"路线——可以运行各种量子算法，但目前比特数和保真度还不足以解决实际问题。

一个很自然的疑问是：既然九章只能做GBS，那它有什么用？

这是一个好问题，也是一个让九章团队持续面临压力的问题。目前，GBS的已知实际应用主要包括两类：一是某些图论问题的加速求解（如寻找最大团），二是某些分子振动光谱的模拟。但这些应用目前的规模还太小，尚未展现出超越经典方法的实用价值。九章四号论文中明确指出，下一步目标是"探索GBS在图论和量子化学中的实际应用"——这既是方向，也是承认。

国家"十五五"规划首次将"专用"与"通用"并列——两条路线并行的战略意义在于：

• 专用先行验证原理：九章以最快的速度验证了光量子计算的优越性，为整个领域提供了信心和方向
• 通用逐步解决实用问题：祖冲之路线在比特数和保真度上稳步推进，为未来的容错量子计算铺路
• 技术溢出：两条路线共享的控制技术、读出方案、纠错理念可以互相促进

关键洞察：九章和祖冲之不是竞争关系，而是互补关系。它们分别占据量子计算发展路线图上不同阶段的不同生态位——专用验证可行性，通用追求实用性。

六、量子优越性的争议：从"霸权"到"优势"

2011年，加州理工学院理论物理学家John Preskill提出了"量子霸权"（quantum supremacy）这个概念——量子计算机在某项任务上超越最强经典计算机的时刻。这个概念的初衷是正面的：为量子计算设立一个清晰的里程碑，证明量子计算不是空中楼阁。

但"霸权"这个词从一开始就争议不断。

谷歌的"200秒vs万年"

2019年10月，谷歌在Nature上发表Sycamore处理器的成果：53个量子比特，200秒完成随机线路取样，声称等效超算需要1万年。这是人类首次宣称实现量子优越性。

但IBM迅速反驳：谷歌的估算有误。如果使用更高效的经典算法和更优化的超算配置，同样任务只需2.5天——而非1万年。谷歌用的是暴力模拟方法估算经典时间，而IBM提出的张量网络方法可以将计算量大幅缩减。

最终共识：谷歌确实实现了量子优越性，但速度差距被夸大了——从"1万年"缩水到"2.5天"再到后来的更优经典算法更短。关键是，经典算法在不断进步，每一次量子优越性的声明都可能被新的经典算法"反超"。

九章的质疑与回应

2020年九章发表后，北京大学涂传诒院士发表文章，质疑九章"不是量子计算机"、"未实现量子霸权"。核心论点包括：九章的GBS不是通用的量子计算，其输出缺乏实际应用价值，且经典算法可能通过优化逼近其性能。

潘建伟和陆朝阳随后发表长文回应，主要论点为：九章的优越性展示是明确的——在GBS这个特定的计算任务上，九章的速度远超经典计算机，这本身就是量子计算优越性的证明。至于"是否有实际应用"，那是另一个层次的问题，不能以此否定优越性本身。

这场争论本质上反映了两种不同的评价标准：一种认为"量子优越性"必须具有实际应用价值，另一种认为"在特定任务上超越经典"本身就有意义——即使这个任务目前没有已知应用。

从"霸权"到"优势"到"优越性"

在学术争论之外，一个更实质的变化在发生：术语本身在演化。

"量子霸权"因政治含义引发不适后，学术界逐步改用"量子优势"（quantum advantage）。中国则提出了"量子计算优越性"这个更中性的术语——强调的是计算能力的超越，而非统治地位。

这个术语正在被国际学术界逐步接受。2024年之后，越来越多的论文使用"quantum computational advantage"而非"quantum supremacy"。

更深层的问题

术语之争背后，是一个更深层的问题：当前所有量子优越性展示——Sycamore的RCS、九章的GBS、祖冲之二号的RCS——都基于专用基准任务。这些任务被设计出来的目的，就是让量子计算机"看起来很快"——它们没有已知的实际应用价值。

这就像你造了一辆超级跑车，但它只能在一条特殊的赛道上跑——这条赛道上没有经典车能跑，但这条赛道也不通往任何目的地。

更令人不安的是：经典算法仍在持续进步。2026年的展望研究表明，针对RCS和GBS的经典模拟算法仍在快速改进，经典算法超越量子优势的概率≥10%。这意味着，今天的量子优越性展示，可能在未来几年被经典算法追上——就像谷歌的"1万年"被IBM缩短到2.5天一样。

这不是否定量子优越性的意义——它证明了一个关键事实：量子计算机确实能做经典计算机做不到的事。但我们必须诚实面对：从"能做"到"有用"，中间还有很长的路。

本章自测

科学辩论：中国量子计算的隐忧