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一周后的 12 月 17 日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在 arXiv 平臺(tái)上發(fā)布我國研制的具備 105 個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之三號(hào)”的相關(guān)成果。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，“祖沖之三號(hào)”的性能優(yōu)于谷歌上一代的“懸鈴木”（Sycamore，今年 10 月《自然》刊文結(jié)果中采用 72 個(gè)量子比特）6 個(gè)數(shù)量級(jí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)也與谷歌剛發(fā)布的“垂柳”達(dá)到了同一量級(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)國家量子計(jì)算研究實(shí)力的直接體現(xiàn)。

除了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，刊文單位還包括合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院上海科學(xué)研究中心、合肥國家實(shí)驗(yàn)室、國盾量子公司、河南省量子信息與量子密碼重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國計(jì)量科學(xué)研究院、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、西安電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院理論物理研究所，這項(xiàng)成果由來自 9 家科研單位的 154 名科研人員共同完成，凸顯了合作的重要性。Dongxin Gao、Daojin Fan、Chen Zha 為論文共同第一作者，朱曉波教授、潘建偉院士為論文通訊作者。

▲ 谷歌懸鈴木及其同期的祖沖之二號(hào)，還有最新的祖沖之三號(hào)性能指標(biāo)對(duì)比

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 年遇到中國科學(xué)家的有力挑戰(zhàn)。中國研究人員發(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)。

據(jù)介紹，“祖沖之三號(hào)”的量子比特?cái)?shù)相比擁有 66 個(gè)量子比特的“祖沖之二號(hào)”提升至 105 個(gè)，從而使其計(jì)算能力在理論上有了顯著的拓展，能夠處理更為復(fù)雜的量子計(jì)算任務(wù)，為探索更大規(guī)模的量子算法和應(yīng)用提供了可能。

同時(shí)，其保真度也實(shí)現(xiàn)了提升，“祖沖之二號(hào)”單量子比特門保真度約為 99.7%，“祖沖之三號(hào)”達(dá)到了 99.90%；“祖沖之二號(hào)”雙量子比特門保真度約為 99.2%，“祖沖之三號(hào)”提升至 99.62%。

▲ “祖沖之三號(hào)”量子處理器。

如圖所示，“祖沖之三號(hào)”量子處理器由兩個(gè)使用倒裝芯片技術(shù)集成的藍(lán)寶石芯片組成。其中一塊芯片上集成了 105 個(gè)量子比特和 182 個(gè)耦合器，而另一塊芯片上集成了所有控制線和讀取諧振器。

據(jù)官方介紹，“祖沖之三號(hào)”量子處理器最重要的進(jìn)步之一是提高了相干時(shí)間，成功將弛豫時(shí)間（T1）延長(zhǎng)到 72μs，將退相位時(shí)間（T_2,CPMG）延長(zhǎng)到 58μs。

此外，讀取性能是祖沖之三號(hào)的另一項(xiàng)重大進(jìn)步。為了實(shí)現(xiàn)高保真度的快速讀取，研究人員將量子比特和讀取諧振器之間的耦合強(qiáng)度提高到大約 130 MHz，并將讀取諧振器的線寬調(diào)整到大約 10 MHz。

官方表示，在每次采樣任務(wù)之前，研究人員會(huì)執(zhí)行三輪測(cè)量，并施加相應(yīng)的單量子比特門將量子比特重置為 | 0?態(tài)。這種方法減少了熱噪聲對(duì)態(tài)制備的影響，并縮短了每次采樣的持續(xù)時(shí)間。經(jīng)過這些優(yōu)化后，83 個(gè)量子比特的平均讀取錯(cuò)誤率被抑制到 0.82%。

中國科學(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。