從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，由中國(guó)科學(xué)家研制的105個(gè)量子比特的“祖沖之三號(hào)”量子計(jì)算機(jī)于2024年12月17日在arXiv線上發(fā)表。超過谷歌于2024年10月發(fā)表于《自然》期刊的最新進(jìn)展——72比特“懸鈴木”處理器6個(gè)數(shù)量級(jí)，為 目前超導(dǎo)量子計(jì)算的最強(qiáng)優(yōu)越性。

“量子計(jì)算優(yōu)越性”是指量子計(jì)算機(jī)需要在特定的問題求解上，表現(xiàn)出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，從而解決連超級(jí)計(jì)算機(jī)都無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)解決的計(jì)算任務(wù)。量子優(yōu)越性是量子計(jì)算具備應(yīng)用價(jià)值的前提條件，也是當(dāng)前一個(gè)國(guó)家量子計(jì)算研究實(shí)力的直接體現(xiàn)。

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“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片示意圖

2019年，谷歌宣布其53比特“懸鈴木”量子處理器在200秒內(nèi)完成了一項(xiàng)隨機(jī)線路采樣任務(wù)，并聲稱憑此實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算的優(yōu)越性。然而，這一成果在2023年遇到中國(guó)科學(xué)家的有力挑戰(zhàn)。中國(guó)研究人員發(fā)展了更加先進(jìn)的經(jīng)典算法，利用A100 GPU僅用約17秒便完成了同樣的任務(wù)，推翻了谷歌當(dāng)時(shí)關(guān)于量子優(yōu)勢(shì)的宣稱。

2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建的“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)利用光子路線首次嚴(yán)格證明了量子計(jì)算優(yōu)越性。之后在2021年，超導(dǎo)體系首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性在“祖沖之二號(hào)”處理器上實(shí)現(xiàn)。 至此，中國(guó)成為目前世界上唯一在兩種物理體系達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國(guó)家。

達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑之后，當(dāng)前量子計(jì)算研究的重點(diǎn)任務(wù)之一是突破量子糾錯(cuò)技術(shù)，為量子比特的大規(guī)模集成和操縱，進(jìn)而構(gòu)建容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)。表面碼是實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)大規(guī)模擴(kuò)展最成熟的方案。

2022年，中國(guó)科學(xué)家首先在“祖沖之二號(hào)”超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了碼距為3的表面碼量子糾錯(cuò)，首次驗(yàn)證了表面碼方案的可行性。2023年，谷歌實(shí)現(xiàn)了碼距為3和5的表面碼邏輯比特，首次展示了錯(cuò)誤率隨著碼距的增加而下降。2024年12月的最新工作中，谷歌利用“垂柳”處理器實(shí)現(xiàn)了碼距為3、5和7的表面碼邏輯比特，并更為顯著地降低了邏輯比特的錯(cuò)誤率，從原理上驗(yàn)證了表面碼方案的擴(kuò)展性，為集成和操縱大規(guī)模量子比特系統(tǒng)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子團(tuán)隊(duì)正在基于“祖沖之三號(hào)”處理器開展相關(guān)工作，計(jì)劃在數(shù)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)碼距為7的表面碼邏輯比特，并進(jìn)一步將碼距擴(kuò)展到9和11，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。 “祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)在前代的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計(jì)與工藝，在比特?cái)?shù)與性能上面都有了全方位的提升，各項(xiàng)性能指標(biāo)與“垂柳”處理器旗鼓相當(dāng)。

量子計(jì)算已成為全球主要國(guó)家之間開展綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)注焦點(diǎn)之一。近幾年全球主要科技國(guó)家在量子計(jì)算領(lǐng)域的規(guī)劃布局持續(xù)加強(qiáng)，已有30余個(gè)國(guó)家開展了以量子計(jì)算為重點(diǎn)的量子信息領(lǐng)域規(guī)劃布局。