由中國科學(xué)家研製的105個量子比特的「祖沖之三號」量子計算機於2024年12月17日在arXiv線上發(fā)表。超過谷歌於2024年10月發(fā)表於《自然》期刊的最新進展——72比特「懸鈴木」處理器6個數(shù)量級，為目前超導(dǎo)量子計算的最強優(yōu)越性。
「量子計算優(yōu)越性」是指量子計算機需要在特定的問題求解上，表現(xiàn)出超越經(jīng)典計算機的能力，從而解決連超級計算機都無法在短時間內(nèi)解決的計算任務(wù)。量子優(yōu)越性是量子計算具備應(yīng)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(xiàn)。
2019年，谷歌宣布其53比特「懸鈴木」量子處理器在200秒內(nèi)完成了一項隨機線路採樣任務(wù)，並聲稱憑此實現(xiàn)了量子計算的優(yōu)越性。然而，這一成果在2023年遇到中國科學(xué)家的有力挑戰(zhàn)。中國研究人員發(fā)展了更加先進的經(jīng)典算法，利用A100 GPU僅用約17秒便完成了同樣的任務(wù)，推翻了谷歌當時關(guān)於量子優(yōu)勢的宣稱。
2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建的「九章」光量子計算原型機利用光子路線首次嚴格證明了量子計算優(yōu)越性。之後在2021年，超導(dǎo)體系首個被嚴格證明的量子計算優(yōu)越性在「祖沖之二號」處理器上實現(xiàn)。至此，中國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到「量子計算優(yōu)越性」里程碑的國家。
達到「量子計算優(yōu)越性」里程碑之後，當前量子計算研究的重點任務(wù)之一是突破量子糾錯技術(shù)，為量子比特的大規(guī)模集成和操縱，進而構(gòu)建容錯通用量子計算機奠定基礎(chǔ)。表面碼是實現(xiàn)量子糾錯大規(guī)模擴展最成熟的方案。
2022年，中國科學(xué)家首先在「祖沖之二號」超導(dǎo)量子處理器上實現(xiàn)了碼距為3的表面碼量子糾錯，首次驗證了表面碼方案的可行性。2023年，谷歌實現(xiàn)了碼距為3和5的表面碼邏輯比特，首次展示了錯誤率隨著碼距的增加而下降。2024年12月的最新工作中，谷歌利用「垂柳」處理器實現(xiàn)了碼距為3、5和7的表面碼邏輯比特，並更為顯著地降低了邏輯比特的錯誤率，從原理上驗證了表面碼方案的擴展性，為集成和操縱大規(guī)模量子比特系統(tǒng)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子團隊正在基於「祖沖之三號」處理器開展相關(guān)工作，計劃在數(shù)月內(nèi)實現(xiàn)碼距為7的表面碼邏輯比特，並進一步將碼距擴展到9和11，為實現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路?！缸鏇_之三號」超導(dǎo)量子計算機在前代的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化了設(shè)計與工藝，在比特數(shù)與性能上面都有了全方位的提升，各項性能指標與「垂柳」處理器旗鼓相當。
量子計算已成為全球主要國家之間開展綜合國力競爭的關(guān)注焦點之一。近幾年全球主要科技國家在量子計算領(lǐng)域的規(guī)劃布局持續(xù)加強，已有30餘個國家開展了以量子計算為重點的量子信息領(lǐng)域規(guī)劃布局。
頂圖：「祖沖之三號」超導(dǎo)量子計算晶片示意圖
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