量子信息科学综合了量子物理学、数学、计算机科学和材料科学等众多学科,是近年来最有活力的前沿研究领域之一。量子信息技术以革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵,在增大信息传输容量、提高运算速度、确保信息安全等方面突破经典信息技术的瓶颈。以量子计算为代表的量子信息技术,其最主要目标是在大规模可扩展的物理体系上实现高精度的多量子比特相干操纵。在候选众多量子体系和技术路径中,光量子系统有着独特的固有优势:在室温大气环境下抗退相干、单比特操纵简单精确、以及提供分布式量子计算的接口,从而在大规模量子信息技术中将起着不可替代的作用。本论文研究基于光量子的量子霸权研究,围绕玻色采样开展多项工作,最终成功实现量子霸权。主要工作包括:1.实现接近傅里叶变换极限的单光子源,证明相隔1000个脉冲的单光子仍然可以完美干涉,HOM干涉对比度大于92%;2.首次发展了双色相干激发技术,避免激发光和发光体频率重叠问题,为解决正交消光带来的50%问题迈进重要一步;3.国际上首次提出椭圆腔方法彻底解决正交消光带来的50%损耗问题,并在窄带微柱腔和宽带靶眼腔中同时证明该方法,获得最高品质的单光子源;4.证明了共振荧光的强度压缩,压缩系数达到0.59 dB,修正后在第一物镜的压缩为3.29 dB,为测量共振荧光的系统效率提供了新途径;5.国际上首次基于量子点-靶眼宽带腔系统,实现了同时满足高纯度、高效率、高纠缠保真度及高度不可分辨的纠缠光源;6.首次在国际上基于量子点单光子源实现5光子玻色采样,采样率至少为之前所有实验的24000倍,其等效计算能力成功超越早期经典计算机ENIAC和TRADIC;7.首次在国际上实现有损耗的玻色采样,证明玻色采样量子算法的鲁棒性,损耗少光子数并不会降低该量子算法的计算复杂度,同时发现损耗光子数会带来计数率上的有效提升;8.首次在国际上实现20光子输入、60模式输出的玻色采样实验,输出态希尔伯特空间维数达到1014,首次进入稀疏采样领域,在各个方面刷新世界纪录。9.基于高斯波色采样,成功实现基于光量子的量子霸权（或量子优越性）,采样平均光子数达到43.7,最大光子数76,采样速率是“神威·太湖之光”超级计算机的1014倍。