“祖冲之三号”创造新纪录 量子计算研究获新突破

中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等，与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合作，成功构建了105比特（包含105个可读取比特和182个耦合比特）超导量子计算原型机“祖冲之三号”，实现了对“量子随机线路采样”任务的快速求解。

与现有最优经典算法相比，“祖冲之三号”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，超过谷歌公司2024年10月公开发表的最新成果6个数量级。继超导量子计算原型机“祖冲之二号”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，是量子计算研究实力的直接体现，也是量子计算具备应用价值的前提条件。

2019年，谷歌公司率先宣称实现量子计算优越性。谷歌公司53比特处理器在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。

2023年，中国科学技术大学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。因此谷歌公司当时的“量子计算优越性”宣称已被中国科学技术大学推翻。

以最优经典算法为比较标准，中国科学技术大学于2020年实现国际上首个被严格证明的量子计算优越性。而超导体系首个被严格证明的量子计算优越性，同样由中国科学技术大学在2021年实现。

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72微秒，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，为目前超导体系最强量子计算优越性。

相关成果于北京时间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。审稿人高度评价这一工作，认为其“构建了目前最高水准的超导量子计算机”“是对此前66比特处理器（祖冲之二号）的重大升级”。

目前研究团队正继续开展量子纠错、量子纠缠、量子模拟、量子化学等多方面探索，将为实现大规模量子比特的集成和操纵铺平道路。

“祖冲之三号”芯片示意图。105个可读取比特和182个耦合比特集成在同一个芯片上执行量子随机线路采样任务。

“祖冲之三号”。图片来源：中国科学技术大学“墨子沙龙”