中国科大“祖冲之三号” 量子计算机实现超导体系“量子计算优越性”新纪录

3月3日消息，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等科研团队，联合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，成功构建了105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”，并在“量子随机线路采样”任务中实现了显著的性能突破。这一成果标志着中国在超导量子计算领域取得了重大进展。相关论文于北京时间3月3日以封面论文的形式发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。

“祖冲之三号”芯片示意图   图源：中国科学技术大学官网

与现有最优经典算法相比，“祖冲之三号” 具备105个可读取比特和182个耦合比特，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15个数量级，超过谷歌2024年10月公开发表的最新成果6个数量级。这一成果是我国继超导量子计算原型机“祖冲之二号”实现超导量子计算体系最强量子计算优越性后，再一次打破超导体系量子计算优越性纪录。

“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，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。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一万年。

但在2023年，中国科大演示了更先进的经典算法，用1400余块A100 GPU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，因此谷歌当时的“量子计算优越性”宣称已被中国科大推翻。

据悉，研究团队在66比特“祖冲之二号”的基础上，大幅提升了各项关键性能指标，实现了105个数据比特、182个耦合比特的“祖冲之三号”，量子比特相干时间达到72μs，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。

为测试其性能，研究团队在“祖冲之三号”系统上完成了83 比特 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15个数量级，也超过去年十月谷歌公开发表的最新成果6个数量级，为目前超导体系最强量子计算优越性。

“‘祖冲之三号’采用二维网格比特排布芯片架构，直接兼容易于实现规模化拓展的表面码量子纠错算法，目前团队正基于‘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。”朱晓波介绍。

“祖冲之三号”的问世是中国量子计算领域的一次重大突破，其性能超越了谷歌的“悬铃木”处理器和最新的“垂柳”量子芯片，成为目前世界上最强的超导量子计算机之一。这一成果不仅为量子计算的应用提供了新的可能性，也为全球量子科技的发展注入了新的活力。