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“祖冲之三号”量子计算原型机问世
再次打破超导体系量子计算优越性世界纪录
光明日报合肥3月4日电 记者丁一鸣、常河从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、朱晓波、彭承志等科学家，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。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后，再次打破超导体系量子计算优越性世界纪录。相关论文于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。
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。据了解，国际上首个被严格证明的量子计算优越性由中国科学技术大学于2020年在“九章”光量子计算原型机上实现；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。
中国科学技术大学教授、“祖冲之号”量子计算总师朱晓波介绍，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72微秒，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，并测试验证为目前超导体系最强量子计算优越性。
“最直观的提升是量子比特数目的提升，如果将量子处理器比作一个超级大脑，那么量子比特就是神经元，神经元越多，大脑就越发达、越能干。”朱晓波打比方说，“而量子比特的退相干时间，可以理解为神经元的有效工作时间，退相干时间越长，能够处理的信息就越复杂。”
朱晓波继续解释，量子门保真度可以理解为神经元之间相互传递信息的正确率，读取保真度则是大脑处理完信息后进行输出的准确率。“这些关键指标的提升是通过多方面实现的，比如在量子处理器的设计上，优化了量子比特和耦合器电场分布、设计并采用了三级滤波器等等。”朱晓波告诉记者，“如果将每一个量子比特比作一个飞盘，那么只要有一个落地就满盘皆输，设计、制造、传输等每一个环节的极限挑战，才造就了‘祖冲之三号’的极限能力。”
量子计算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。朱晓波还透露，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。
《物理评论快报》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”“是对此前66比特处理器(祖冲之二号)的重大升级”。
《光明日报》(2025年03月05日 12版)