3月3日，中国科学技术大学（以下简称中国科大）发布最新成果。中国科学院院士、中国科大教授潘建伟，中国科大教授朱晓波、彭承志等与上海量子科学研究中心、河南省量子信息与量子密码重点实验室、中国计量科学研究院、济南量子技术研究院、西安电子科技大学微电子学院以及中国科学院理论物理研究所等单位合作，成功构建了105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”，实现了对“量子随机线路采样”任务的快速求解。3月3日，相关研究成果以封面论文的形式发表于《物理评论快报》。

与现有最优经典算法相比，“祖冲之三号”处理量子随机线路采样问题的速度比目前最快的超级计算机快一千万亿倍，超过谷歌2024年10月公开发表的最新成果——67比特超导量子处理器“悬铃木”一百万倍。

这一成果是我国继超导量子计算原型机“祖冲之二号”达到超导量子计算体系最强量子计算优越性里程碑后，再一次打破超导体系量子计算优越性纪录。

《物理评论快报》审稿人认为这一工作“构建了目前最高水准的超导量子计算机”，“是对此前66比特处理器（祖冲之二号）的重大升级”。美国物理学会同期在《物理》杂志上特别刊发观点论文，深入解读并重点介绍了该研究的创新之处与重要意义。

“祖冲之三号”芯片示意图。中国科大供图

  ?

各项关键指标性能大幅度提升

“祖冲之号”总师朱晓波介绍，研究团队在66比特“祖冲之二号”的基础上，大幅提升了“祖冲之三号”的各项关键性能指标：量子比特数目由66个增加至105个，量子比特相干时间达到72微秒，并行单比特门保真度达到99.90%，并行两比特门保真度达到99.62%，并行读取保真度达到99.13%，综合性能达到国际领先水平。

“量子处理器好比一个超级大脑，量子比特就是大脑的神经元，量子比特相干时间可以理解为神经元能有效工作的时间。量子比特越多，量子比特退相干时间越长，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。”朱晓波做了一个形象的比喻。

而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，大脑处理信息时出错率越低。读取保真度则可以理解为大脑处理完信息后还需要输出信息，读取保真度越高，说明输出过程中出错的概率就越小。

“这些关键指标的提升是多方面实现的。”朱晓波说，“首先是在量子处理器的设计上做了非常多的研究及尝试，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，采用了新的工艺，优化了加工流程，提高了处理器的成品率。最后是通过对量子门以及读取错误模型更加深入的理解，从而完美发挥量子处理器的性能。”

量子随机线路采样任务可以表征量子计算机的计算过程，进而全面评估量子计算机的整体性能。

为测试“祖冲之三号”的性能，研究团队在该系统上完成了83比特的32层的随机线路采样，以目前最优经典算法为比较标准，计算速度比最强超算快一千万亿倍，超过谷歌67比特超导量子处理器“悬铃木”一百万倍。

朱晓波表示，“祖冲之三号”成功研制的意义是多方面的。从技术层面上来看，“祖冲之三号”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。

从科学层面上来看，“祖冲之三号”量子处理器性能的成功标定，能够进一步推动量子纠错的研究，以及通用量子容错的进展。同时，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。

实现超导体系“最强”量子优越性

国际学术界把量子计算的发展分为3个阶段：一是实现“量子计算优越性”，即相干操纵50个量子比特，量子计算机对特定问题的计算能力超越最快的超级计算机。二是实现专用量子模拟机，相干操纵数百至上千个量子比特，用于解决经典计算机无法胜任的若干重要科学问题，如量子化学、高温超导机理等。三是实现通用容错量子计算机，在量子纠错的辅助下相干操纵至少上百万量子比特，用于解决经典密码破解、人工智能、材料设计等领域的计算难题。

量子计算优越性验证了量子计算系统能够超越传统超级计算机的可行性，是量子计算具备应用价值的前提条件。

朱晓波介绍，目前实现量子计算优越性的量子计算机主要分为两种体系，一种是光子体系，主要代表为“九章”，另一种是超导体系，主要代表为“祖冲之号”和谷歌的“悬铃木”。两者主要差别在于构建量子比特的方式不同，光子体系主要用光子构建量子比特，超导体系则主要用包含约瑟夫森结的超导电路构建量子比特。两种体系各有优缺点。

实现量子计算优越性也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。在这一方面，中美是目前国际第一方阵，呈现交替领先的态势。

2019年，谷歌率先宣称实现量子计算优越性，但该成果很快被中国团队用更先进的经典算法推翻。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潘建伟团队于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也由该团队于2021年在“祖冲之二号”处理器上实现。2023年，潘建伟团队研发的255个光子的“九章三号”量子优越性超越经典超算一亿亿倍。2024年10月，谷歌发布67比特超导量子处理器“悬铃木”，其量子优越性超越经典超算10亿倍。

朱晓波介绍，“祖冲之三号”与谷歌67比特超导量子处理器“悬铃木”相比，不管是量子比特数目，还是性能上均有所超越，因此才能在随机线路采样任务的速度上超“悬铃木”一百万倍，为目前超导体系“最强”量子计算优越性。

推动量子计算从实验室走向专业化应用

量子计算优越性是量子计算强大性能的综合体现，是近期应用探索和实现可拓展量子纠错的基础。

朱晓波介绍，在“祖冲之三号”取得“最强”量子计算优越性的基础上，研究团队近期计划是进一步提高量子比特的数目以及性能，同时正继续开展量子纠错。

目前，研究团队正基于“祖冲之三号”开展码距为7的表面码纠错研究，已取得良好进展，并计划进一步将码距扩展到9和11，为实现大规模量子比特的集成和操纵铺平道路。

研究团队远期规划则瞄准通用量子计算机的终极目标：计划在10至15年左右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。并通过跨学科合作，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。

朱晓波表示，“当前量子计算研究距离广泛实际应用仍存在技术瓶颈，主要挑战包括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，推动量子计算从实验室走向专业化应用。”

相关论文信息：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601