“祖沖之三號”何以“最強”

日前，由中國科學技術大學團隊與國內相關科研院所合作構建的超導量子計算原型機“祖沖之三號”正式面世，刷新了超導量子計算體系最強量子計算優越性里程碑，再度樹立起超導賽道內的量子計算“最強”新標杆。

“祖沖之三號”何以“最強”？3月3日，中國科大科研團隊主要成員接受本報記者採訪，圍繞“祖沖之三號”進行深入解讀。

超越“懸鈴木”最新成果

量子計算優越性，是量子計算髮展的第一個里程碑，目前實現量子優越性的量子計算機主要分爲兩個體系，一個是光子體系，主要代表爲“九章號”；另一個就是超導體系，主要代表爲“祖沖之號”和“懸鈴木”。二者主要的差別是構建量子比特的方式不同，兩種體系各有優缺點，都有非常優秀的表現。

據介紹，“祖沖之三號”擁有105個量子比特，是目前實現量子優越性實驗的量子處理器中擁有比特數目最多的超導量子計算機。

其次是在具有如此多量子比特數量的情況下，其平均的量子門的保真度以及讀取保真度在大規模數量的量子處理器中處於世界領先水平，單比特邏輯門、兩比特邏輯門和讀取保真度分別爲99.90%、99.62%、99.13%。

基於這兩點,“祖沖之三號”才能實現目前複雜度最高的隨機線路採樣實驗。也正因如此，《物理評論快報》審稿人評價說“該超導量子計算機顯示了最先進的性能”。

在對量子計算優越性的追逐上，中美兩國自2019年以來，一直在全球交替領先。

2019年，美國谷歌公司率先宣稱實現量子計算優越性。谷歌53比特“懸鈴木”處理器在200秒內完成的隨機線路採樣任務，用當時最快的超級計算機進行模擬需要約1萬年。但在2023年，中國科大演示了更先進的經典算法，僅需約14秒即可完成同樣的任務；如果用“前沿”超算並配備更大的內存，則預計只需1.6秒即可完成。

此後，以最優經典算法爲比較標準，國際上首個被嚴格證明的量子計算優越性由中國科大於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由中國科大研究團隊於2021年在“祖沖之二號”處理器上實現。2023年，中國科大研發的255光子“九章三號”量子優越性超越經典超算16個數量級。2024年10月，谷歌67比特超導量子處理器“懸鈴木”量子優越性超越經典超算9個數量級。

如今，與美國谷歌67比特和70比特的“懸鈴木”相比，“祖沖之三號”不管是量子比特數目上還是性能上均有所超越，在隨機線路採樣實驗的複雜度上高出“懸鈴木”6個數量級。

“祖沖之二號”的重大升級

關於“祖沖之三號”的相關論文，3月3日發表在國際學術期刊《物理評論快報》上。審稿人高度評價這一成果，認定它“是對此前66比特處理器（祖沖之二號）的重大升級”。

據介紹，相比於2021年問世的“祖沖之二號”，“祖沖之三號”實現了量子比特數目、退相干時間、量子門保真度、讀取保真度等幾項關鍵性能指標的提升。

科學家們採用了一個形象的比喻，如果把量子處理器比喻成一個超級大腦，量子比特就是大腦的神經元，神經元越多，大腦能夠處理的信息就越複雜、越龐大，也就能夠解決更困難的問題。量子比特的退相干時間，類似於神經元能有效工作的時間，退相干時間越長能處理的信息也越複雜。量子門的保真度，可以理解爲神經元之間相互傳遞信息的正確率，量子門的保真度越高，大腦處理信息時就越不會出錯。讀取保真度，可以理解爲大腦處理完信息後還需要輸出，讀取保真度越高說明輸出過程中出錯的概率就越小。

“祖沖之號”量子計算總設計師、中國科大教授朱曉波表示，這些關鍵指標的提升是多方面實現的。首先是在量子處理器的設計上做了非常多的研究以及嘗試，比如優化了量子比特和耦合器電場分佈，設計並採用了三級濾波器等。其次是量子處理器的製造上，採用了一些新的工藝，優化了加工流程，提高了處理器的成品率等。控制信號的傳輸上也有非常重要的改進，通過採用更高密度的線纜才能實現高達105個量子比特的操縱。最後是通過對量子門以及讀取錯誤模型更加深入的理解，從而完美地發揮量子處理器的性能。

爲大規模量子比特集成鋪平道路

朱曉波表示，“祖沖之三號”的意義是多方面的。

從技術層面上，它在量子比特數目上以及測控性能上具有非常大的突破，意味着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，它能夠推動進一步量子糾錯的研究，以及通用量子容錯的進展；也能助力近期應用的研究，模擬更加複雜的量子系統，推動量子化學模擬、藥物研發等領域的發展。

在“祖沖之三號”取得突破的基礎上，團隊近期計劃下一步繼續提高量子計算機的比特數目以及性能。遠期規劃則瞄準通用量子計算機的終極目標——計劃在10年至15年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，形成從芯片製備到應用開發的全鏈條技術能力。

“還要通過跨學科合作，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羣。”朱曉波說。

科學家們堅定執着於對“量子計算優越性”的研究，不斷爲量子計算理論發展提供了實驗支撐，量子計算機纔有可能實現其實際應用價值，超越經典計算的量子計算應用場景纔可能成功構建。

從現在看未來，當前的成果距離廣泛實際應用之間還關山重重。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，從而推動量子計算從實驗室走向專業化應用。

（本報記者 陳婉婉）