中国“祖冲之三号”量子计算机问世，105个量子比特领跑全球

中国“祖冲之三号”量子计算机问世，105个量子比特领跑全球

中国科学技术大学潘建伟院士团队最新发布的“祖冲之三号”量子计算机，拥有105个量子比特，计算能力远超谷歌的“悬铃木”处理器，成为全球量子计算领域的佼佼者。这一突破不仅展示了我国在量子计算领域的领先地位，也为未来的科技发展提供了无限可能。随着量子计算技术的进步，它将在医药研发、能源开发、人工智能等多个领域发挥重要作用，推动新一轮的技术革命。

“祖冲之三号”量子计算机的发布，标志着中国在量子计算领域再次取得重大突破。该计算机拥有105个量子比特，超越了谷歌于2024年10月发表于《自然》期刊的最新进展——72比特“悬铃木”处理器6个数量级，为目前超导量子计算的最强优越性。

量子计算优越性是量子计算机需要在特定的问题求解上，表现出超越经典计算机的能力，从而解决连超级计算机都无法在短时间内解决的计算任务。量子优越性是量子计算具备应用价值的前提条件，也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。

2019年，谷歌宣布其53比特“悬铃木”量子处理器在200秒内完成了一项随机线路采样任务，并声称凭此实现了量子计算的优越性。然而，这一成果在2023年遇到中国科学家的有力挑战。中国研究人员发展了更加先进的经典算法，利用A100 GPU仅用约17秒便完成了同样的任务，推翻了谷歌当时关于量子优势的宣称。

2020年，中国科学技术大学构建的“九章”光量子计算原型机利用光子路线首次严格证明了量子计算优越性。之后在2021年，超导体系首个被严格证明的量子计算优越性在“祖冲之二号”处理器上实现。至此，中国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

达到“量子计算优越性”里程碑之后，当前量子计算研究的重点任务之一是突破量子纠错技术，为量子比特的大规模集成和操纵，进而构建容错通用量子计算机奠定基础。表面码是实现量子纠错大规模扩展最成熟的方案。

2022年，中国科学家首先在“祖冲之二号”超导量子处理器上实现了码距为3的表面码量子纠错，首次验证了表面码方案的可行性。2023年，谷歌实现了码距为3和5的表面码逻辑比特，首次展示了错误率随着码距的增加而下降。2024年12月的最新工作中，谷歌利用“垂柳”处理器实现了码距为3、5和7的表面码逻辑比特，并更为显著地降低了逻辑比特的错误率，从原理上验证了表面码方案的扩展性，为集成和操纵大规模量子比特系统奠定了重要技术基础。

中国科学技术大学超导量子团队正在基于“祖冲之三号”处理器开展相关工作，计划在数月内实现码距为7的表面码逻辑比特，并进一步将码距扩展到9和11，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”超导量子计算机在前代的基础上，进一步优化了设计与工艺，在比特数与性能上面都有了全方位的提升，各项性能指标与“垂柳”处理器旗鼓相当。

量子计算已成为全球主要国家之间开展综合国力竞争的关注焦点之一。近几年全球主要科技国家在量子计算领域的规划布局持续加强，已有30余个国家开展了以量子计算为重点的量子信息领域规划布局。

量子计算的未来发展方向和应用前景广阔。大规模容错量子计算的实现将为量子计算的实际应用奠定基础。量子计算有潜力在特定任务上加速计算速度并超越经典计算机的能力。不过，量子计算机很容易出错，所以当前的原型机无法运行足够长的时间以实现实际输出。量子计算研究人员为此设计的解决策略依赖量子纠错，即将信息分布到许多量子比特(量子信息的单位，类似于经典计算机的比特)上，能在不破坏计算的情况下识别和补偿错误。量子纠错需要的量子比特开销可能会引入比它能纠正的更多的错误。因此，实现“低于阈值”的运算一直存在挑战——未纠错率要低于一个关键值，这样才能按预期纠错并指数级地抑制错误。

在本项研究中，美国谷歌量子人工智能及其合作伙伴(Google Quantum AI and Collaborators)研发出名为Willow的最新一代超导量子处理芯片架构，该芯片能实现低于表面码关键阈值的量子纠错，表面码是一种特定的量子纠错技术。他们的系统能在数小时内运行最多100万个周期，同时实时解码错误并维持表现。

研究人员进一步在一个72量子比特的处理器和一个105量子比特的处理器上运行了表面码。结果显示，每次码距从3增加到5再到7，逻辑错误率减半。他们总结表示，这种对逻辑错误的潜在抑制，为运行有纠错功能的大规模量子算法奠定了基础。

潘建伟院士团队在量子计算领域取得了系统性创新成果。作为国际上量子信息实验研究领域的主要开拓者之一，他在量子通信、量子计算和多光子纠缠操纵等研究方向的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。潘建伟及其同事实现量子隐形传态的研究成果于1999年同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被英国《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”，其研究成果多次入选《自然》杂志评选的年度重大科学事件、美国《科学》杂志评选的“年度十大科技进展”、英国或美国物理学会评选的“年度物理学重大进展”以及两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”。

潘建伟由于在量子信息实验领域的杰出贡献，获国家自然科学一等奖，未来科学大奖物质科学奖，香港求是科技基金会“杰出科学家奖”，何梁何利基金“科学与技术成就奖”，中国科学院“杰出科技成就奖”，欧洲物理学会菲涅尔奖，国际量子通信、测量与计算学会国际量子通信奖，国际激光科学及量子光学兰姆奖，美国科学促进会克利夫兰奖，美国光学学会伍德奖，墨子量子奖以及德国蔡司研究奖等国内外学术荣誉奖项。2017年获“全国创新争先”奖章，2018年获“改革先锋”奖章，2019年获“最美奋斗者”称号。