超越傳統超算！我國超導量子計算機 “祖沖之三號” 驚豔亮相

記者今天（12 月 17 日）從中國科學技術大學獲悉，由中國科學家研製的 105 個量子比特的“祖沖之三號” 量子計算機於 2024 年 12 月 17 日在 arXiv 線上發表。超過谷歌於 2024 年 10 月發表於《自然》期刊的最新進展——72 比特 “懸鈴木” 處理器 6 個數量級，為目前超導量子計算的最強優越性。

“量子計算優越性”是指量子計算機需要在特定的問題求解上，表現出超越經典計算機的能力，從而解決連超級計算機都無法在短時間內解決的計算任務。量子優越性是量子計算具備應用價值的前提條件，也是當前一個國家量子計算研究實力的直接體現。

2019 年，谷歌宣佈其 53 比特 “懸鈴木” 量子處理器在 200 秒內完成了一項隨機線路採樣任務，並聲稱憑此實現了量子計算的優越性。然而，這一成果在 2023 年遇到中國科學家的有力挑戰。中國研究人員發展了更加先進的經典算法，利用 A100 GPU 僅用約 17 秒便完成了同樣的任務，推翻了谷歌當時關於量子優勢的宣稱。

2020 年，中國科學技術大學構建的 “九章” 光量子計算原型機利用光子路線首次嚴格證明了量子計算優越性。之後在 2021 年，超導體系首個被嚴格證明的量子計算優越性在 “祖沖之二號” 處理器上實現。至此，中國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到 “量子計算優越性” 里程碑的國家。

達到 “量子計算優越性” 里程碑之後，當前量子計算研究的重點任務之一是突破量子糾錯技術，為量子比特的大規模集成和操縱，進而構建容錯通用量子計算機奠定基礎。表面碼是實現量子糾錯大規模擴展最成熟的方案。

2022 年，中國科學家首先在 “祖沖之二號” 超導量子處理器上實現了碼距為 3 的表面碼量子糾錯，首次驗證了表面碼方案的可行性。2023 年，谷歌實現了碼距為 3 和 5 的表面碼邏輯比特，首次展示了錯誤率隨着碼距的增加而下降。2024 年 12 月的最新工作中，谷歌利用 “垂柳” 處理器實現了碼距為 3、5 和 7 的表面碼邏輯比特，並更為顯著地降低了邏輯比特的錯誤率，從原理上驗證了表面碼方案的擴展性，為集成和操縱大規模量子比特系統奠定了重要技術基礎。

中國科學技術大學超導量子團隊正在基於 “祖沖之三號” 處理器開展相關工作，計劃在數月內實現碼距為 7 的表面碼邏輯比特，並進一步將碼距擴展到 9 和 11，為實現大規模量子比特的集成和操縱鋪平道路。“祖沖之三號” 超導量子計算機在前代的基礎上，進一步優化了設計與工藝，在比特數與性能上面都有了全方位的提升，各項性能指標與 “垂柳” 處理器旗鼓相當。

量子計算已成為全球主要國家之間開展綜合國力競爭的關注焦點之一。近幾年全球主要科技國家在量子計算領域的規劃佈局持續加強，已有 30 餘個國家開展了以量子計算為重點的量子信息領域規劃佈局。

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