3月3日，中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）發布最新成果。中國科學院院士、中國科大教授潘建偉，中國科大教授朱曉波、彭承志等與上海量子科學研究中心、河南省量子信息與量子密碼重點實驗室、中國計量科學研究院、濟南量子技術研究院、西安電子科技大學微電子學院以及中國科學院理論物理研究所等單位合作，成功構建了105比特超導量子計算原型機“祖沖之三號”，實現了對“量子隨機線路采樣”任務的快速求解。3月3日，相關研究成果以封面論文的形式發表于《物理評論快報》。
與現有最優經典算法相比，“祖沖之三號”處理量子隨機線路采樣問題的速度比目前最快的超級計算機快一千萬億倍，超過谷歌2024年10月公開發表的最新成果——67比特超導量子處理器“懸鈴木”一百萬倍。
這一成果是我國繼超導量子計算原型機“祖沖之二號”達到超導量子計算體系最強量子計算優越性里程碑后，再一次打破超導體系量子計算優越性紀錄。
《物理評論快報》審稿人認為這一工作“構建了目前最高水準的超導量子計算機”，“是對此前66比特處理器（祖沖之二號）的重大升級”。美國物理學會同期在《物理》雜志上特別刊發觀點論文，深入解讀并重點介紹了該研究的創新之處與重要意義。
“祖沖之三號”芯片示意圖。中國科大供圖
各項關鍵指標性能大幅度提升
“祖沖之號”總師朱曉波介紹，研究團隊在66比特“祖沖之二號”的基礎上，大幅提升了“祖沖之三號”的各項關鍵性能指標：量子比特數目由66個增加至105個，量子比特相干時間達到72微秒，并行單比特門保真度達到99.90%，并行兩比特門保真度達到99.62%，并行讀取保真度達到99.13%，綜合性能達到國際領先水平。
“量子處理器好比一個超級大腦，量子比特就是大腦的神經元，量子比特相干時間可以理解為神經元能有效工作的時間。量子比特越多，量子比特退相干時間越長，大腦能夠處理的信息就越復雜、越龐大，也就能夠解決更困難的問題。”朱曉波做了一個形象的比喻。
而量子門的保真度可以理解為神經元之間相互傳遞信息的正確率，量子門的保真度越高，大腦處理信息時出錯率越低。讀取保真度則可以理解為大腦處理完信息后還需要輸出信息，讀取保真度越高，說明輸出過程中出錯的概率就越小。
“這些關鍵指標的提升是多方面實現的。”朱曉波說，“首先是在量子處理器的設計上做了非常多的研究及嘗試，比如優化了量子比特和耦合器電場分布，設計并采用了三級濾波器等；其次是量子處理器的制造上，采用了新的工藝，優化了加工流程，提高了處理器的成品率。最后是通過對量子門以及讀取錯誤模型更加深入的理解，從而完美發揮量子處理器的性能。”
量子隨機線路采樣任務可以表征量子計算機的計算過程，進而全面評估量子計算機的整體性能。
為測試“祖沖之三號”的性能，研究團隊在該系統上完成了83比特的32層的隨機線路采樣，以目前最優經典算法為比較標準，計算速度比最強超算快一千萬億倍，超過谷歌67比特超導量子處理器“懸鈴木”一百萬倍。
朱曉波表示，“祖沖之三號”成功研制的意義是多方面的。從技術層面上來看，“祖沖之三號”在量子比特數目上以及測控性能上具有非常大的突破，意味著它能夠處理更復雜的量子信息和執行更復雜的量子算法。
從科學層面上來看，“祖沖之三號”量子處理器性能的成功標定，能夠進一步推動量子糾錯的研究，以及通用量子容錯的進展。同時，也能助力近期應用的研究，模擬更加復雜的量子系統，推動量子化學模擬、藥物研發等領域的發展。
實現超導體系“最強”量子優越性
國際學術界把量子計算的發展分為3個階段：一是實現“量子計算優越性”，即相干操縱50個量子比特，量子計算機對特定問題的計算能力超越最快的超級計算機。二是實現專用量子模擬機，相干操縱數百至上千個量子比特，用于解決經典計算機無法勝任的若干重要科學問題，如量子化學、高溫超導機理等。三是實現通用容錯量子計算機，在量子糾錯的輔助下相干操縱至少上百萬量子比特，用于解決經典密碼破解、人工智能、材料設計等領域的計算難題。
量子計算優越性驗證了量子計算系統能夠超越傳統超級計算機的可行性，是量子計算具備應用價值的前提條件。
朱曉波介紹，目前實現量子計算優越性的量子計算機主要分為兩種體系，一種是光子體系，主要代表為“九章”，另一種是超導體系，主要代表為“祖沖之號”和谷歌的“懸鈴木”。兩者主要差別在于構建量子比特的方式不同，光子體系主要用光子構建量子比特，超導體系則主要用包含約瑟夫森結的超導電路構建量子比特。兩種體系各有優缺點。
實現量子計算優越性也是當前一個國家量子計算研究實力的直接體現。在這一方面，中美是目前國際第一方陣，呈現交替領先的態勢。
2019年，谷歌率先宣稱實現量子計算優越性，但該成果很快被中國團隊用更先進的經典算法推翻。此后，以最優經典算法為比較標準，國際上首個被嚴格證明的量子計算優越性由潘建偉團隊于2020年在“九章”光量子計算原型機上實現；而超導體系首個被嚴格證明的量子計算優越性也由該團隊于2021年在“祖沖之二號”處理器上實現。2023年，潘建偉團隊研發的255個光子的“九章三號”量子優越性超越經典超算一億億倍。2024年10月，谷歌發布67比特超導量子處理器“懸鈴木”，其量子優越性超越經典超算10億倍。
朱曉波介紹，“祖沖之三號”與谷歌67比特超導量子處理器“懸鈴木”相比，不管是量子比特數目，還是性能上均有所超越，因此才能在隨機線路采樣任務的速度上超“懸鈴木”一百萬倍，為目前超導體系“最強”量子計算優越性。
推動量子計算從實驗室走向專業化應用
量子計算優越性是量子計算強大性能的綜合體現，是近期應用探索和實現可拓展量子糾錯的基礎。
朱曉波介紹，在“祖沖之三號”取得“最強”量子計算優越性的基礎上，研究團隊近期計劃是進一步提高量子比特的數目以及性能，同時正繼續開展量子糾錯。
目前，研究團隊正基于“祖沖之三號”開展碼距為7的表面碼糾錯研究，已取得良好進展，并計劃進一步將碼距擴展到9和11，為實現大規模量子比特的集成和操縱鋪平道路。
研究團隊遠期規劃則瞄準通用量子計算機的終極目標：計劃在10至15年左右建成包含千邏輯量子比特，具有糾錯能力的量子計算系統。同時構建完整的量子計算生態體系，包括自主可控的量子操作系統，形成從芯片制備到應用開發的全鏈條技術能力。并通過跨學科合作，推動量子計算在量子化學模擬、藥物研發等更多領域的深度應用，最終形成具有國際競爭力的量子計算產業集群。
朱曉波表示，“當前量子計算研究距離廣泛實際應用仍存在技術瓶頸，主要挑戰包括如何進一步提升量子比特的數量以及相關性能、量子糾錯技術如何進一步持續發展、軟件算法生態不完善以及系統成本高昂等。這些關鍵技術瓶頸都需要在未來重點突破，推動量子計算從實驗室走向專業化應用。”
相關論文信息：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601
本文鏈接：我國成功研制超導量子計算原型機“祖沖之三號”http://www.lensthegame.com/show-11-18104-0.html
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