中国科大实现超导体系“量子计算优越性”新纪录

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2024年10月公开发表的最新成果6个数量级[Nature 634, 328 (2024)]。这一成果是我国继超导量子计算原型机“祖冲之二号”实现超导量子计算体系最强量子计算优越性 [PRL 127, 180501 (2021), Science Bulletin 67, 240 (2022)]后，再一次打破超导体系量子计算优越性纪录。相关论文于北京时间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。

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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

“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。在这一方面，中美是目前国际第一方阵，呈现交替领先的态势。

2019年，谷歌率先宣称实现量子计算优越性。谷歌53比特“悬铃木”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。但在2023年，中国科大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，因此谷歌当时的“量子计算优越性”宣称已被中国科大推翻。

以最优经典算法为比较标准，国际上首个被严格证明的量子计算优越性由中国科大于2020年在“九章”光量子计算原型机上实现；而超导体系首个被严格证明的量子计算优越性由本研究团队于2021年在“祖冲之二号”处理器上实现。2023年，中国科大研发的255光子“九章三号”量子优越性超越经典超算16个数量级。2024年10月，谷歌67比特超导量子处理器“悬铃木”量子优越性超越经典超算9个数量级。

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72μs，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，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，计算速度比最强超算快15个数量级，也超过去年十月谷歌公开发表的最新成果6个数量级，为目前超导体系最强量子计算优越性。

量子优越性是量子计算强大性能的综合体现，是近期应用探索和实现可拓展量子纠错的基础。在“祖冲之三号”取得最强“量子计算优越性”后，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。“祖冲之三号”采用二维网格比特排布芯片架构，直接兼容易于实现规模化拓展的表面码量子纠错算法，目前团队正基于“祖冲之三号”开展码距为7的表面码纠错研究，已取得良好进展，并计划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。

审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“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”)，“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”)。鉴于该项研究工作的重要性，美国物理学会同期在《物理》（Physics）杂志上特别刊发观点论文，深入解读并重点介绍了该研究的创新之处与重要意义。

研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院、安徽省、山东省以及上海市等的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601