领先谷歌六个数量级！我国再创全球量子计算优越性里程碑，比超算快10的15次方倍
领先谷歌六个数量级！我国再创全球量子计算优越性里程碑，比超算快10的15次方倍
导读：中国科学技术大学等单位的研究团队在《Physical Review Letters》期刊上发表最新研究成果，宣布“祖冲之三号”量子计算机在性能上取得重大突破，其运行速度比目前最快的超级计算机快10的15次方倍，比谷歌最新成果快100万倍。这一成就标志着我国在量子计算领域再次取得重要进展。
3月3日，中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院上海科学研究中心、合肥国家实验室、国盾量子公司、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、中国科学院理论物理研究所组成的研究团队在《Physical Review Letters》期刊上发布题为“Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor”（使用105量子比特“祖冲之三号”处理器建立量子计算优势的新基准测试）的研究论文，Dongxin Gao、Daojin Fan、Chen Zha为论文共同第一作者，朱晓波教授、潘建伟院士为论文通讯作者。
“祖冲之三号”原型机的运行速度比目前最快的超级计算机快10的15次方倍，比谷歌最新公布的成果快100万倍。这项工作被审稿人称赞为“构建了目前最高水准的超导量子计算机”(“benchmarking a new superconducting quantum computer, which shows state-of-the-art performance”)；同时被选为当期封面文章，获得了编辑推荐，并入选了美国物理学会（APS）旗下的《Physics》杂志亮点文章。
卡尔加里大学量子科学与技术研究所Barry C. Sanders教授认为，“祖冲之三号”与谷歌Willow“具有相似的性能，表明两者之间存在并驾齐驱的竞争”。在“祖冲之二号”取得成功之后，这一成就标志着在提升量子计算性能方面的一个里程碑。
超导体系量子计算优越性新纪录
根据论文中的实验数据，“祖冲之三号”的性能优于谷歌“悬铃木”，各项性能指标也与Willow旗鼓相当。审稿人认为，此项工作“是对此前66比特处理器（祖冲之二号）的重大升级”(“a significant upgrade from the previous 66 qubit device”)。相较于“祖冲之二号”，“祖冲之三号”实现了多方面的显著性能提升，主要包括：
随机电路采样任务执行效率
在83个量子比特、32周期的随机电路采样实验中，“祖冲之三号”能够在短短几百秒内完成一百万样本的采集。并且，对于这一任务，据估计目前最强大的经典超级计算机Frontier需要约6.4×10⁹年才能完成相同任务。这表明“祖冲之三号”在处理复杂计算任务时的速度和能力相比祖冲之二号有了巨大飞跃，其处理能力的提升使得经典模拟成本相较于谷歌的相关实验（SYC-67和SYC-70实验）也提高了六个数量级，从而在量子优越性方面确立了新的标杆。
图：谷歌悬铃木、祖冲之二号、祖冲之三号性能指标对比
量子比特数量增加
祖冲之二号拥有66个量子比特，祖冲之三号的量子比特数提升至105个，这使得其计算能力在理论上有了显著的拓展，能够处理更为复杂的量子计算任务，为探索更大规模的量子算法和应用提供了可能。
操控精度提升
- 单量子比特门保真度—“祖冲之二号”约为99.7%，“祖冲之三号”达到了99.90%；
- 双量子比特门保真度—“祖冲之二号”约为99.2%，“祖冲之三号”提升至99.62%；
- 读取保真度—祖冲之二号约为98.1%，祖冲之三号达到99.18%；
- 量子比特平均相干时间—“祖冲之三号”提升至72微秒。
操控精度的全面提升，为构建复杂的量子算法与提升整个计算过程的可靠性奠定了基础。
量子计算优越性的漫漫求索路
那么量子计算优越性究竟是什么，为什么实现“优越性”如此重要呢？
量子优越性指的是量子计算机在特定任务上展现出远超经典计算机的计算能力，其核心价值在于从物理原理层面验证了量子计算体系超越经典计算边界的可行性。通过构建如“随机线路采样”等严格数学框架下的优越性验证问题，研究者得以在特定计算任务中证明量子并行性带来的指数级加速优势，以此证明人类对量子系统操控能力的飞跃，揭示了信息处理模式革新的全新路径。
图：“祖冲之三号”量子处理器
此外，量子优越性验证具有双重标尺作用——它既是量子计算从理论迈向实用化的能力证书，也是国家科技竞争力的战略制高点。
2019年，谷歌的53比特 “悬铃木”处理器在200秒内完成了一项随机线路采样任务，而当时世界上最快的超级计算机模拟该任务大约需要1万年。
然而，2023年，中国科学技术大学展示了更先进的经典算法，使用1400多块A100 GPU在大约14秒内完成了同样的任务。如果使用配备更大内存的Frontier超级计算机，预计完成该任务仅需1.6秒。因此，谷歌当时宣称的“量子计算优越性”被推翻。
随后，以最优经典算法为基准，中国科学技术大学研究团队在2020年凭借“九章”光量子计算原型机实现了首次严格证明的量子优越性。接着在2021年，利用“祖冲之二号”处理器在超导体系中也实现了同样的任务。2023年，该团队研发的255光子的“九章三号”展示出的量子优越性比经典超级计算机快10的16次方倍。2024年10月，谷歌的67比特超导量子处理器“悬铃木”展示出的量子优越性比经典超级计算机快9个数量级。
图：容纳“祖冲之三号”处理器的低温恒温器
来源：中国科学技术大学、新华社、Physics