光量子计算机“九章”
“九章”牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。
《科学》杂志审稿人评价称“这是一个最先进的实验”和“一个重大成就”。
九章量子计算机原型机光路系统原理图
量子计算机（quantum computer）是一种基于量子理论而工作的计算机，其以量子态为记忆单元和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，存储及处理用量子比特表示的信息，其元件的尺寸为原子或分子量级。
量子计算机与传统计算机的区别在于量子计算机拥有强大的量子信息处理能力。传统计算机信息的基本单位用0与1表示，量子计算机是用两个量子态│0＞和│1＞取代传统比特状态，以实现“既是1又是0”，多个纠缠在一起的量子比特能同时实现指数级别递增的运算威力。量子计算机利用量子力学的原理，可以允许一个物体同时处于多种状态，实行“并行计算”，其计算能力远超传统计算机。
量子计算机采用的是不可复制的量子原理，因此不会受到网络病毒攻击而泄露个人信息。而且由于量子计算机采用量子力学中的叠加原理，具有强大并行运算能力，理论上能够模拟任意自然系统，可以实现传统计算机无法完成的任务，因此在天气预报、药物研制、交通调度、保密通信等领域有着广泛的应用。
1981年，诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman在《利用计算机模拟物理学》的报告中提出了“量子计算机”的概念，其认为“量子计算机有可能模拟出经典计算机无法模拟的物理现象”。2002年，美国发布了第一版量子计算路线图。
2004年，中国科学技术大学潘建伟院士领导的研究小组首次展示了五光子纠缠。2020年，中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授组成的研究小组在76个光子量子计算原型机——“九章”上完成了“高斯玻色采样”计算，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，计算速度要比超级计算机快100万亿倍，从而实现“量子计算优越性”。此次实验，也证明我国在光学量子计算方面仍保持国际领先水平。
我国的光量子计算机之所以取名“九章”，是因为纪念我国古代著名数学专著《九章算术》。“九章”使用的是光量子计算，和超导体系相比，它更容易实现常温操作。
比特与量子比特对比示意图
光量子计算通过光学逻辑门进行操作，主要通过光学偏振片实现，而超导方案则通过射频信号来实现；光学量子计算主要以光子的偏振自由度、角动量等作为量子比特的变化量测对象，而超导量子计算基于约瑟夫森结，可以是 flux 或者 charge 作为量子比特。
在室温条件下运行计算高斯玻色取样问题，“九章”处理5 000万个样本只需200秒，超级计算机需要6亿年；“九章”处理100亿个样本只需10小时，超级计算机需要1 200亿年，而宇宙诞生至今也不过约137亿年。“九章”输出量子态空间规模达到了 1030，相比之下谷歌量子计算原型机“悬铃木”输出量子态空间规模是 1016，优势十分明显，而且目前全世界的存储容量是 1022。“九章”同时克服了谷歌基于“悬铃木”超导处理器的随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。
基于“九章”的高斯玻色取样算法，未来将在图论、机器学习、量子化学等领域具有重要的潜在应用价值。
2021年，潘建伟院士团队在“九章”基础之上，又进行了一系列概念和技术创新。譬如，受激光——“受激辐射光放大”概念的启发，科研人员设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。再如，通过三维集成和收集光路的紧凑设计，多光子量子干涉线路增加到144维度。因此“九章二号”探测到的光子数增加了113个，输出量子态空间维度达到了1043。这极大提高了之前的量子优势。