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“祖沖之三號”量子計算原型機問世
再次打破超導體系量子計算優越性世界紀錄
光明日報合肥3月4日電 記者丁一鳴、常河從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、朱曉波、彭承志等科學家，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。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后，再次打破超導體系量子計算優越性世界紀錄。相關論文于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。
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。據了解，國際上首個被嚴格證明的量子計算優越性由中國科學技術大學于2020年在“九章”光量子計算原型機上實現；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。
中國科學技術大學教授、“祖沖之號”量子計算總師朱曉波介紹，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72微秒，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，并測試驗證為目前超導體系最強量子計算優越性。
“最直觀的提升是量子比特數目的提升，如果將量子處理器比作一個超級大腦，那么量子比特就是神經元，神經元越多，大腦就越發達、越能干。”朱曉波打比方說，“而量子比特的退相干時間，可以理解為神經元的有效工作時間，退相干時間越長，能夠處理的信息就越復雜。”
朱曉波繼續解釋，量子門保真度可以理解為神經元之間相互傳遞信息的正確率，讀取保真度則是大腦處理完信息后進行輸出的準確率。“這些關鍵指標的提升是通過多方面實現的，比如在量子處理器的設計上，優化了量子比特和耦合器電場分布、設計并采用了三級濾波器等等。”朱曉波告訴記者，“如果將每一個量子比特比作一個飛盤，那么只要有一個落地就滿盤皆輸，設計、制造、傳輸等每一個環節的極限挑戰，才造就了‘祖沖之三號’的極限能力。”
量子計算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。朱曉波還透露，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。
《物理評論快報》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”“是對此前66比特處理器(祖沖之二號)的重大升級”。
《光明日報》(2025年03月05日 12版)