“祖冲之三号”何以“最强”

日前，由中国科学技术大学团队与国内相关科研院所合作构建的超导量子计算原型机“祖冲之三号”正式面世，刷新了超导量子计算体系最强量子计算优越性里程碑，再度树立起超导赛道内的量子计算“最强”新标杆。

“祖冲之三号”何以“最强”？3月3日，中国科大科研团队主要成员接受本报记者采访，围绕“祖冲之三号”进行深入解读。

超越“悬铃木”最新成果

量子计算优越性，是量子计算发展的第一个里程碑，目前实现量子优越性的量子计算机主要分为两个体系，一个是光子体系，主要代表为“九章号”；另一个就是超导体系，主要代表为“祖冲之号”和“悬铃木”。二者主要的差别是构建量子比特的方式不同，两种体系各有优缺点，都有非常优秀的表现。

据介绍，“祖冲之三号”拥有105个量子比特，是目前实现量子优越性实验的量子处理器中拥有比特数目最多的超导量子计算机。

其次是在具有如此多量子比特数量的情况下，其平均的量子门的保真度以及读取保真度在大规模数量的量子处理器中处于世界领先水平，单比特逻辑门、两比特逻辑门和读取保真度分别为99.90%、99.62%、99.13%。

基于这两点,“祖冲之三号”才能实现目前复杂度最高的随机线路采样实验。也正因如此，《物理评论快报》审稿人评价说“该超导量子计算机显示了最先进的性能”。

在对量子计算优越性的追逐上，中美两国自2019年以来，一直在全球交替领先。

2019年，美国谷歌公司率先宣称实现量子计算优越性。谷歌53比特“悬铃木”处理器在200秒内完成的随机线路采样任务，用当时最快的超级计算机进行模拟需要约1万年。但在2023年，中国科大演示了更先进的经典算法，仅需约14秒即可完成同样的任务；如果用“前沿”超算并配备更大的内存，则预计只需1.6秒即可完成。

此后，以最优经典算法为比较标准，国际上首个被严格证明的量子计算优越性由中国科大于2020年在“九章”光量子计算原型机上实现；而超导体系首个被严格证明的量子计算优越性由中国科大研究团队于2021年在“祖冲之二号”处理器上实现。2023年，中国科大研发的255光子“九章三号”量子优越性超越经典超算16个数量级。2024年10月，谷歌67比特超导量子处理器“悬铃木”量子优越性超越经典超算9个数量级。

如今，与美国谷歌67比特和70比特的“悬铃木”相比，“祖冲之三号”不管是量子比特数目上还是性能上均有所超越，在随机线路采样实验的复杂度上高出“悬铃木”6个数量级。

“祖冲之二号”的重大升级

关于“祖冲之三号”的相关论文，3月3日发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。审稿人高度评价这一成果，认定它“是对此前66比特处理器（祖冲之二号）的重大升级”。

据介绍，相比于2021年问世的“祖冲之二号”，“祖冲之三号”实现了量子比特数目、退相干时间、量子门保真度、读取保真度等几项关键性能指标的提升。

科学家们采用了一个形象的比喻，如果把量子处理器比喻成一个超级大脑，量子比特就是大脑的神经元，神经元越多，大脑能够处理的信息就越复杂、越庞大，也就能够解决更困难的问题。量子比特的退相干时间，类似于神经元能有效工作的时间，退相干时间越长能处理的信息也越复杂。量子门的保真度，可以理解为神经元之间相互传递信息的正确率，量子门的保真度越高，大脑处理信息时就越不会出错。读取保真度，可以理解为大脑处理完信息后还需要输出，读取保真度越高说明输出过程中出错的概率就越小。

“祖冲之号”量子计算总设计师、中国科大教授朱晓波表示，这些关键指标的提升是多方面实现的。首先是在量子处理器的设计上做了非常多的研究以及尝试，比如优化了量子比特和耦合器电场分布，设计并采用了三级滤波器等。其次是量子处理器的制造上，采用了一些新的工艺，优化了加工流程，提高了处理器的成品率等。控制信号的传输上也有非常重要的改进，通过采用更高密度的线缆才能实现高达105个量子比特的操纵。最后是通过对量子门以及读取错误模型更加深入的理解，从而完美地发挥量子处理器的性能。

为大规模量子比特集成铺平道路

朱晓波表示，“祖冲之三号”的意义是多方面的。

从技术层面上，它在量子比特数目上以及测控性能上具有非常大的突破，意味着它能够处理更复杂的量子信息和执行更复杂的量子算法。

从科学层面上，它能够推动进一步量子纠错的研究，以及通用量子容错的进展；也能助力近期应用的研究，模拟更加复杂的量子系统，推动量子化学模拟、药物研发等领域的发展。

在“祖冲之三号”取得突破的基础上，团队近期计划下一步继续提高量子计算机的比特数目以及性能。远期规划则瞄准通用量子计算机的终极目标——计划在10年至15年建成包含千逻辑量子比特，具有纠错能力的量子计算系统；同时构建完整的量子计算生态体系，包括自主可控的量子操作系统，形成从芯片制备到应用开发的全链条技术能力。

“还要通过跨学科合作，推动量子计算在量子化学模拟、药物研发等更多领域的深度应用，最终形成具有国际竞争力的量子计算产业集群。”朱晓波说。

科学家们坚定执着于对“量子计算优越性”的研究，不断为量子计算理论发展提供了实验支撑，量子计算机才有可能实现其实际应用价值，超越经典计算的量子计算应用场景才可能成功构建。

从现在看未来，当前的成果距离广泛实际应用之间还关山重重。如何进一步提升量子比特的数量以及相关性能，量子纠错技术如何进一步持续发展，软件算法生态不完善，以及系统成本高昂等，这些关键技术瓶颈都需要在未来重点突破，从而推动量子计算从实验室走向专业化应用。

（本报记者 陈婉婉）