性能緊追谷歌Willow！中國科大潘建偉團隊發布 105 量子比特“祖沖之三號”最新成果！
2024-12-18 08:59:46 IT之家、arxiv一周后的 12 月 17 日，中國科學技術大學潘建偉院士團隊在 arXiv 平臺上發布我國研制的具備 105 個量子比特的超導量子計算機“祖沖之三號”的相關成果。
實驗數據顯示，“祖沖之三號”的性能優于谷歌上一代的“懸鈴木”（Sycamore，今年 10 月《自然》刊文結果中采用 72 個量子比特）6 個數量級，各項性能指標也與谷歌剛發布的“垂柳”達到了同一量級，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。
除了中國科學技術大學，刊文單位還包括合肥微尺度物質科學國家研究中心、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院上海科學研究中心、合肥國家實驗室、國盾量子公司、河南省量子信息與量子密碼重點實驗室、中國計量科學研究院、濟南量子技術研究院、西安電子科技大學、中國科學院理論物理研究所，這項成果由來自 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，還有最新的祖沖之三號性能指標對比
2019 年，谷歌宣布其 53 比特“懸鈴木”量子處理器在 200 秒內完成了一項隨機線路采樣任務，并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，推翻了谷歌當時關于量子優勢的宣稱。
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。之后在 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”里程碑之后，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，為集成和操縱大規模量子比特系統奠定了重要技術基礎。
據介紹，“祖沖之三號”的量子比特數相比擁有 66 個量子比特的“祖沖之二號”提升至 105 個，從而使其計算能力在理論上有了顯著的拓展，能夠處理更為復雜的量子計算任務，為探索更大規模的量子算法和應用提供了可能。
同時，其保真度也實現了提升，“祖沖之二號”單量子比特門保真度約為 99.7%，“祖沖之三號”達到了 99.90%；“祖沖之二號”雙量子比特門保真度約為 99.2%，“祖沖之三號”提升至 99.62%。
▲ “祖沖之三號”量子處理器。
如圖所示，“祖沖之三號”量子處理器由兩個使用倒裝芯片技術集成的藍寶石芯片組成。其中一塊芯片上集成了 105 個量子比特和 182 個耦合器，而另一塊芯片上集成了所有控制線和讀取諧振器。
據官方介紹，“祖沖之三號”量子處理器最重要的進步之一是提高了相干時間，成功將弛豫時間（T1）延長到 72μs，將退相位時間（T_2,CPMG）延長到 58μs。
此外，讀取性能是祖沖之三號的另一項重大進步。為了實現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度提高到大約 130 MHz，并將讀取諧振器的線寬調整到大約 10 MHz。
官方表示，在每次采樣任務之前，研究人員會執行三輪測量，并施加相應的單量子比特門將量子比特重置為 | 0?態。這種方法減少了熱噪聲對態制備的影響，并縮短了每次采樣的持續時間。經過這些優化后，83 個量子比特的平均讀取錯誤率被抑制到 0.82%。
中國科學技術大學超導量子團隊正在基于“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，并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。
