打破世界纪录！“祖冲之三号”量子计算原型机结出双生硕果！

眼前是一道公认的世界级难题：若交给当今最快的超级经典计算机，需要百万亿年才能算出答案。然而，就在一眨眼间，一台全新机器给出了精确结果——这并非科幻，而是刚刚发生的现实。

它就是由中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等团队联合攻关研制出的超导量子计算原型机“祖冲之三号”。2025 年 3 月，他们将 105 个高性能量子比特与 182 个耦合比特集成到一块指甲盖大小的芯片上，正式宣告诞生。

这项里程碑式成果首先以碾压级速度刷新“量子优越性”纪录：在特定任务上，它比全球最快的超级经典计算机快上千万亿倍。更令人振奋的是，它在量子计算的核心战场“量子纠错”取得了历史性突破——首次跨越了梦寐以求的“盈亏平衡点”。

那么，何谓“盈亏平衡点”？为何连期刊审稿人都认为这一工作“构建了目前最高水准的超导量子计算机”？那么，就请各位读者保持好奇心，来和我们一同揭开这一突破的神秘面纱吧！

量子“魔力”与守护神——量子计算机与纠错之战

量子计算机被视为未来计算的“神器”，其核心在于利用量子力学的两大特性——叠加与纠缠。经典比特非0即1，如同单盏开关；而量子比特（Qubit）却可以同时处于0和1的叠加态，如同能同时照亮两种状态的灯。当多个量子比特发生纠缠，它们的状态便紧密关联，形成一个庞大的并行计算空间。这使得量子计算机在处理某些复杂问题时，潜力远超经典计算机。

量子比特的一般定义是两级量子系统的量子态

（图片来源：Wikipedia）

然而，承载这份“魔力”的量子态极其脆弱。环境中细微的热量和噪声干扰，都可能导致量子态“崩溃”并丢失信息，这种现象称为“退相干”。计算过程中的微小错误可能被迅速放大，导致结果完全错误。这成为阻碍量子计算机实用化的“阿喀琉斯之踵”。

量子纠错（Quantum Error Correction, QEC）正是对抗这一弱点的“守护神”，其目标并非彻底消除物理错误（这近乎不可能），而是通过“冗余备份”和“主动修复”策略，构建更稳定、抗错的堡垒——逻辑量子比特（Logical Qubit）

简言之，就是将一份量子信息巧妙地分布式存储在多个物理量子比特的关联状态中。即使其中一两个物理比特出错，通过周期性的“体检”（测量特定关联信息）和“治疗”（纠错操作），也能发现并修复错误，保护逻辑比特中的核心信息。

但是，量子纠错本身并非免费，它需要引入额外的量子比特（辅助比特）和复杂的量子门操作。不幸的是，这些操作本身也不完美，会引入新的错误！这就导致了一个根本困境：如果纠错过程引入的错误（“成本”）超过了它能修复的错误（“收益”），那么纠错就变成了净亏损，得不偿失。因此，实现“盈亏平衡点”——即纠错带来的净收益大于零——成为整个量子计算领域公认的、通往实用化道路上的最关键里程碑之一。

跨越生死线——逻辑比特的胜利与“越纠越对”

想要更好地理解“祖冲之三号”在纠错上的突破，我们首先需要区分两种量子比特：

一种是物理量子比特（Physical Qubit）：构成量子计算机硬件的最基本单元（如“祖冲之三号”芯片上的超导量子比特）。它们直接暴露在外界噪声环境中，如同无盔甲的战士，极易出错，能保持量子态的时间（相干时间）很短。

另一种是逻辑量子比特（Logical Qubit）：由多个物理量子比特通过特定量子纠错码（如本次实验采用的“表面码”）编码组合而成的受保护“团队”。量子信息分布式存储于团队的“集体状态”中。团队通过成员间的相互监督与协作（纠错操作），保护核心信息安全，即使个别成员出错。

盈亏平衡点的核心判据在于：逻辑比特“团队”的有效寿命（逻辑相干时间），是否超过了构成该团队的所有物理比特“成员”中，最易出错的那个成员的原始寿命（物理相干时间）。

如果未达平衡点即逻辑团队寿命短于最差成员原始寿命，就说明纠错净亏损（团队协作反而加速失败）。而如果达到平衡点，即逻辑团队寿命超过最差成员原始寿命，就表明纠错净收益（团队协作有效延长了信息寿命）！

“祖冲之三号”平台实现的，正是这一期盼已久的里程碑！研究团队在该先进系统上精心设计并实施了复杂的量子纠错方案。实验结果确凿无疑：他们首次在超导量子计算体系中，清晰观测到逻辑量子比特的相干时间，明确超过了其编码中所有物理量子比特中最短的那个的相干时间！

“祖冲之三号”超导量子计算原型机的示意图

（图片来源：中国科学技术大学）

这如同经营一家小店，需要权衡投入和产出。其中，支出（成本）包含雇佣店员（辅助比特）、运营管理（纠错操作），这些都会消耗资源（引入错误）。收入（收益）来自通过运营管理（纠错），防止货物损坏（纠正物理比特错误），实现销售（保护信息）。

长久以来，小店入不敷出（支出>收入）。而“祖冲之三号”的实验证明，小店终于开始盈利（收入>支出）！或者说，给珍贵信息穿上“防护服”（纠错编码）后，防护服非但未因自身快速损耗（纠错操作错误）而失效，反而让内部信息比仅靠最差物理比特“裸奔”时存活得更久！

这一突破的划时代意义在于：它从实验上确凿证明了量子纠错能带来净的保护增益，实现了“越纠越对”！这验证了量子纠错理论的基石，扫除了通向实用化量子计算机道路上的根本性疑虑。它标志着人类在保护脆弱量子信息、实现长时间可靠计算的征途中，跨越了最具象征意义的“生死线”，为未来构建真正容错的量子计算机（即使部分硬件出错，整体计算依然正确）打开了核心大门。

算力巅峰：玻色采样再证量子优越性

“祖冲之三号”不仅是一个精密的纠错研究平台，其本身也是一个世界顶尖的超导量子计算引擎，105个高性能量子比特赋予了它强大的并行计算能力。

为了充分展示其澎湃算力，研究人员利用“祖冲之三号”执行了一项对经典计算机而言极其艰巨的任务——高斯玻色采样（Gaussian Boson Sampling, GBS）。这类问题的核心是模拟光量子（玻色子）在复杂线性光学网络中传播和干涉后的概率分布。其计算难度会随着问题规模（光子数、模式数）指数级爆炸式增长，是验证量子计算优越性的经典任务之一。经典超级计算机面对稍大规模的高斯玻色采样，所需计算时间将变得无比漫长甚至不可能完成，而量子计算机则能相对高效地模拟其核心过程。

高斯玻色采样实验中时间复杂度的演变趋势。其中，SYC和ZCZ分别代表谷歌Sycamore系列超导量子处理器和中科大“祖冲之”系列超导量子处理器。

（图片来源：参考文献[1]）

“祖冲之三号”交出的答卷令人震撼：它在执行特定规模的高斯玻色取样任务时，速度比当今全球最快的经典超级计算机快了整整15个数量级（即一千万亿倍）！这不仅是“祖冲之”系列量子处理器算力的又一次巨大飞跃，更是在超导量子计算体系上以无可争议的优势再次实现了“量子计算优越性”（Quantum Computational Advantage/Supremacy）。这意味着在解决这类特定复杂问题上，“祖冲之三号”展现出了所有经典计算机都无法企及的处理速度，如同一辆超级跑车将自行车远远甩在身后。

结语——国际量子年的中国里程碑，未来之路在纠错

“祖冲之三号”的成功，是中国量子科技在2025年——联合国教科文组织指定的国际量子年——结出的双生硕果，意义深远：

首先，它树立了量子纠错领域的里程碑。这项突破首次跨越量子纠错的盈亏平衡点，实现“越纠越对”，验证了容错量子计算的可行性根基。这不仅是超导量子计算的突破，更是整个量子信息科学领域的重大进展。

其次，它再次证明了我国量子计算的优越性。以105比特规模和15个数量级的性能优势，“祖冲之三号”再次刷新并巩固了我国在超导量子计算领域的世界领先地位，彰显了强大的工程实现能力。

量子计算的三个发展阶段

（图片来源：腾讯量子实验室）

值此国际量子年，“祖冲之三号”的双突破，是中国为全球量子科技发展献上的厚礼。它清晰标注了量子计算发展的关键坐标：从演示量子优越性的算力巅峰，到攻克量子纠错的可靠性基石。这标志着量子计算研究正从“证明我能行”的阶段，迈向“又快又准”的新纪元。

参考文献：

[1]Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

[2]Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[3]Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180501.

[4]Zhu Q, Cao S, Chen F, et al. Quantum computational advantage via 60-qubit 24-cycle random circuit sampling[J]. Science bulletin, 2022, 67(3): 240-245.

出品：科普中国

作者：栾春阳 王雨桐（清华大学物理系博士）

监制：中国科普博览