中國科大實現超導體系“量子計算優越性”新紀錄

　　中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志等，與上海量子科學研究中心、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、西安電子科技大學微電子學院以及中國科學院理論物理研究所等單位合作，成功構建了105比特（包含105個可讀取比特和182個耦合比特）超導量子計算原型機“祖沖之三號”，實現了對“量子隨機線路采樣”任務的快速求解。與現有最優經典算法相比，“祖沖之三號”處理量子隨機線路采樣問題的速度比目前最快的超級計算機快15個數量級，超過谷歌2024年10月公開發表的最新成果6個數量級[Nature 634, 328 (2024)]。這一成果是我國繼超導量子計算原型機“祖沖之二號”實現超導量子計算體系最強量子計算優越性 [PRL 127, 180501 (2021), Science Bulletin 67, 240 (2022)]后，再一次打破超導體系量子計算優越性紀錄。相關論文于北京時間3月3日以封面論文的形式發表在國際學術期刊《物理評論快報》上。

　　祖沖之三號芯片示意圖。105個可讀取比特和182個耦合比特集成在同一個芯片上執行量子隨機線路采樣任務

　　“量子計算優越性”驗證了量子計算系統能夠超越傳統超級計算機的可行性，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。在這一方面，中美是目前國際第一方陣，呈現交替領先的態勢。

　　2019年，谷歌率先宣稱實現量子計算優越性。谷歌53比特“懸鈴木”處理器在200秒內完成的隨機線路采樣任務，用當時最快的超級計算機進行模擬需要約一萬年。但在2023年，中國科大演示了更先進的經典算法，用1400余塊A100 GPU僅需約14秒即可完成同樣的任務；如果用“前沿”超算并配備更大的內存，則預計只需1.6秒即可完成，因此谷歌當時的“量子計算優越性”宣稱已被中國科大推翻。

　　以最優經典算法為比較標準，國際上首個被嚴格證明的量子計算優越性由中國科大于2020年在“九章”光量子計算原型機上實現；而超導體系首個被嚴格證明的量子計算優越性由本研究團隊于2021年在“祖沖之二號”處理器上實現。2023年，中國科大研發的255光子“九章三號”量子優越性超越經典超算16個數量級。2024年10月，谷歌67比特超導量子處理器“懸鈴木”量子優越性超越經典超算9個數量級。

　　研究團隊在66比特“祖沖之二號”的基礎上，大幅提升了各項關鍵性能指標，實現了105個數據比特、182個耦合比特的“祖沖之三號”，量子比特相干時間達到72μs，并行單比特門保真度達到99.90%，并行兩比特門保真度達到99.62%，并行讀取保真度達到99.13%，綜合性能達到國際領先水平。為測試其性能，團隊在“祖沖之三號”系統上完成了83比特32層的隨機線路采樣，以目前最優經典算法為比較標準，計算速度比最強超算快15個數量級，也超過去年十月谷歌公開發表的最新成果6個數量級，為目前超導體系最強量子計算優越性。

　　量子優越性是量子計算強大性能的綜合體現，是近期應用探索和實現可拓展量子糾錯的基礎。在“祖沖之三號”取得最強“量子計算優越性”后，團隊正繼續開展量子糾錯、量子糾纏、量子模擬、量子化學等多方面探索。“祖沖之三號”采用二維網格比特排布芯片架構，直接兼容易于實現規模化拓展的表面碼量子糾錯算法，目前團隊正基于“祖沖之三號”開展碼距為7的表面碼糾錯研究，已取得良好進展，并計劃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。

　　審稿人高度評價這一工作，認為這一工作“構建了目前最高水準的超導量子計算機”(“benchmarking a new superconducting quantum computer, which shows state-of-the-art performance”)，“是對此前66比特處理器（祖沖之二號）的重大升級”(“a significant upgrade from the previous 66 qubit device”)。鑒于該項研究工作的重要性，美國物理學會同期在《物理》（Physics）雜志上特別刊發觀點論文，深入解讀并重點介紹了該研究的創新之處與重要意義。

　　研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院、安徽省、山東省以及上海市等的支持。

　　論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601