最高水平！中國成功研制祖沖之三號量子計算原型機

據(jù)觀察者網(wǎng)報道，3月3日，中國科學技術(shù)大學新聞網(wǎng)發(fā)布消息，中國科學技術(shù)大學潘建偉、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(shù)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(gòu)建了105比特（包含105個可讀取比特和182個耦合比特）超導(dǎo)量子計算原型機祖沖之三號，實現(xiàn)了對量子隨機線路采樣任務(wù)的快速求解。

與現(xiàn)有最優(yōu)經(jīng)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15個數(shù)量級，超過谷歌2024年10月公開發(fā)表的最新成果6個數(shù)量級。 這一成果是我國繼超導(dǎo)量子計算原型機祖沖之二號實現(xiàn)超導(dǎo)量子計算體系最強量子計算優(yōu)越性后，再一次打破超導(dǎo)體系量子計算優(yōu)越性紀錄。 相關(guān)論文于北京時間3月3日以封面論文的形式發(fā)表在國際學術(shù)期刊《物理評論快報》上。

「量子計算優(yōu)越性」驗證了量子計算系統(tǒng)能夠超越傳統(tǒng)超級計算機的可行性，是量子計算具備應(yīng)用價值的前提條件，也是當前一個國家量子計算研究實力的直接體現(xiàn)。 在這一方面，中美是目前國際第一方陣，呈現(xiàn)交替領(lǐng)先的態(tài)勢。

2019年，谷歌率先宣稱實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性。 谷歌53比特懸鈴木處理器在200秒內(nèi)完成的隨機線路采樣任務(wù)，用當時最快的超級計算機進行模擬需要約一萬年。 但在2023年，中國科大演示了更先進的經(jīng)典算法，用1400余塊A100 GPU僅需約14秒即可完成同樣的任務(wù); 如果用前沿超算并配備更大的內(nèi)存，則預(yù)計只需1.6秒即可完成，因此谷歌當時的「量子計算優(yōu)越性」宣稱已被中國科大推翻。

以最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標準，國際上首個被嚴格證明的量子計算優(yōu)越性由中國科大于2020年在「九章」光量子計算原型機上實現(xiàn); 而超導(dǎo)體系首個被嚴格證明的量子計算優(yōu)越性由本研究團隊于2021年在「祖沖之二號」處理器上實現(xiàn)。 2023年，中國科大研發(fā)的255光子九章三號量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算16個數(shù)量級。 2024年10月，谷歌67比特超導(dǎo)量子處理器懸鈴木量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算9個數(shù)量級。

研究團隊在66比特祖沖之二號的基礎(chǔ)上，大幅提升了各項關(guān)鍵性能指標，實現(xiàn)了105個數(shù)據(jù)比特、182個耦合比特的祖沖之三號，量子比特相干時間達到72μs，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(lǐng)先水平。 為測試其性能，團隊在「祖沖之三號」系統(tǒng)上完成了83比特 32 層的隨機線路采樣，以目前最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標準，計算速度比最強超算快15個數(shù)量級，也超過去年十月谷歌公開發(fā)表的最新成果6個數(shù)量級，為目前超導(dǎo)體系最強量子計算優(yōu)越性。

量子優(yōu)越性是量子計算強大性能的綜合體現(xiàn)，是近期應(yīng)用探索和實現(xiàn)可拓展量子糾錯的基礎(chǔ)。 在「祖沖之三號」取得最強「量子計算優(yōu)越性」后，團隊正繼續(xù)開展量子糾錯、量子糾纏、量子模擬、量子化學等多方面探索。 「祖沖之三號」采用二維網(wǎng)格比特排布芯片架構(gòu)，直接兼容易于實現(xiàn)規(guī)模化拓展的表面碼量子糾錯算法，目前團隊正基于「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(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和縱鋪平道路。

審稿人高度評價這一工作，認為這一工作「構(gòu)建了目前最高水平的超導(dǎo)量子計算機」（「benchmarking a new superconducting quantum computer， which shows state-of-the-art performance」），「是對此前66比特處理器（祖沖之二號）的重大升級」（「a significant upgrade from the previous 66 qubit device」)。 鑒于該項研究工作的重要性，美國物理學會同期在《物理》（Physics）雜志上特別刊發(fā)觀點論文，深入解讀并重點介紹了該研究的創(chuàng)新之處與重要意義。

祖沖之三號芯片示意圖。 105個可讀取比特和182個耦合比特集成在同一個芯片上執(zhí)行量子隨機線路采樣任務(wù)。 （中國科學技術(shù)大學新聞網(wǎng)）