中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等，與上海量子科學(xué)研究中心、河南省量子信息與量子密碼重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院以及中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所等單位合作，成功構(gòu)建了105比特（包含105個(gè)可讀取比特和182個(gè)耦合比特）超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之三號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子隨機(jī)線路采樣”任務(wù)的快速求解。
與現(xiàn)有最優(yōu)經(jīng)典算法相比，“祖沖之三號(hào)”處理量子隨機(jī)線路采樣問題的速度，比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快15個(gè)數(shù)量級(jí)，超過谷歌公司2024年10月公開發(fā)表的最新成果6個(gè)數(shù)量級(jí)。繼超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”后，再一次打破超導(dǎo)體系量子計(jì)算優(yōu)越性紀(jì)錄。
▲“祖沖之三號(hào)”芯片示意圖。105個(gè)可讀取比特和182個(gè)耦合比特集成在同一個(gè)芯片上執(zhí)行量子隨機(jī)線路采樣任務(wù)。
量子計(jì)算優(yōu)越性
國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈
量子計(jì)算優(yōu)越性驗(yàn)證了量子計(jì)算系統(tǒng)能夠超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的可行性，是量子計(jì)算研究實(shí)力的直接體現(xiàn)，也是量子計(jì)算具備應(yīng)用價(jià)值的前提條件。
2019年，谷歌公司率先宣稱實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性。谷歌公司53比特處理器在200秒內(nèi)完成的隨機(jī)線路采樣任務(wù)，用當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬需要約一萬年。
2023年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)演示了更先進(jìn)的經(jīng)典算法，用1400余塊A100 GPU僅需約14秒即可完成同樣的任務(wù)。如果用“前沿”超算并配備更大的內(nèi)存，則預(yù)計(jì)只需1.6秒即可完成。因此谷歌公司當(dāng)時(shí)的“量子計(jì)算優(yōu)越性”宣稱已被中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)推翻。
以最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)于2020年實(shí)現(xiàn)國(guó)際上首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性。而超導(dǎo)體系首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性，同樣由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在2021年實(shí)現(xiàn)。
“祖沖之三號(hào)”
創(chuàng)造新紀(jì)錄
研究團(tuán)隊(duì)在66比特“祖沖之二號(hào)”的基礎(chǔ)上，大幅提升了各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了105個(gè)數(shù)據(jù)比特、182個(gè)耦合比特的“祖沖之三號(hào)”， 量子比特相干時(shí)間達(dá)到72微秒，并行單比特門保真度達(dá)到99.90%，并行兩比特門保真度達(dá)到99.62%，并行讀取保真度達(dá)到99.13%，綜合性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
▲“祖沖之三號(hào)”。圖片來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“墨子沙龍”
為測(cè)試其性能，研究團(tuán)隊(duì)在“祖沖之三號(hào)” 系統(tǒng)上完成了83比特32層的隨機(jī)線路采樣，以目前最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標(biāo)準(zhǔn)，為目前超導(dǎo)體系最強(qiáng)量子計(jì)算優(yōu)越性。
相關(guān)成果于北京時(shí)間3月3日以封面論文的形式發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。審稿人高度評(píng)價(jià)這一工作，認(rèn)為其“構(gòu)建了目前最高水準(zhǔn)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)”“是對(duì)此前66比特處理器（祖沖之二號(hào)）的重大升級(jí)”。
目前研究團(tuán)隊(duì)正繼續(xù)開展量子糾錯(cuò)、量子糾纏、量子模擬、量子化學(xué)等多方面探索，將為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。
