從中國科學技術(shù)大學獲悉，由中國科學家研制的105個量子比特的“祖沖之三號”量子計算機于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》期刊的最新進展——72比特“懸鈴木”處理器6個數(shù)量級，為 目前超導量子計算的最強優(yōu)越性。

“量子計算優(yōu)越性”是指量子計算機需要在特定的問題求解上，表現(xiàn)出超越經(jīng)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(nèi)解決的計算任務(wù)。量子優(yōu)越性是量子計算具備應(yīng)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(xiàn)。

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“祖沖之三號”超導量子計算芯片示意圖

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

2020年，中國科學技術(shù)大學構(gòu)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(yōu)越性。之后在2021年，超導體系首個被嚴格證明的量子計算優(yōu)越性在“祖沖之二號”處理器上實現(xiàn)。 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(yōu)越性”里程碑的國家。

達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑之后，當前量子計算研究的重點任務(wù)之一是突破量子糾錯技術(shù)，為量子比特的大規(guī)模集成和操縱，進而構(gòu)建容錯通用量子計算機奠定基礎(chǔ)。表面碼是實現(xiàn)量子糾錯大規(guī)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(xiàn)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(xiàn)了碼距為3和5的表面碼邏輯比特，首次展示了錯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(guī)模量子比特系統(tǒng)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

中國科學技術(shù)大學超導量子團隊正在基于“祖沖之三號”處理器開展相關(guān)工作，計劃在數(shù)月內(nèi)實現(xiàn)碼距為7的表面碼邏輯比特，并進一步將碼距擴展到9和11，為實現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。 “祖沖之三號”超導量子計算機在前代的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化了設(shè)計與工藝，在比特數(shù)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(guān)注焦點之一。近幾年全球主要科技國家在量子計算領(lǐng)域的規(guī)劃布局持續(xù)加強，已有30余個國家開展了以量子計算為重點的量子信息領(lǐng)域規(guī)劃布局。