中国科学技术大学的潘建伟、朱晓波、彭承志等人，与上海量子科学研究中心等单位展开合作，还与河南省量子信息与量子密码重点实验室等单位携手，同时也有中国计量科学研究院等单位参与，以及济南量子技术研究院等单位的协作，还有西安电子科技大学微电子学院等单位的加入，并且有中国科学院理论物理研究所等单位的共同努力，成功构建了 105 比特的超导量子计算原型机“祖冲之三号”，这其中包含 105 个可读取比特和 182 个耦合比特，并且实现了对“量子随机线路采样”任务的快速求解。
“祖冲之三号”处理量子随机线路采样问题的速度，相较于现有最优经典算法而言，比目前最快的超级计算机快 15 个数量级，比谷歌公司 2024 年 10 月公开发表的最新成果快 6 个数量级。在超导量子计算领域，继“祖冲之二号”这一超导量子计算原型机之后，它又一次打破了超导体系量子计算的优越性纪录。
“祖冲之三号”芯片有示意图。105 个可读取比特与 182 个耦合比特被集成在同一个芯片上。这些比特用于执行量子随机线路采样任务。
01
量子计算优越性
国际竞争激烈
量子计算优越性验证了量子计算系统具有超越传统超级计算机的可能性。这是量子计算研究实力的直接展现。同时，这也是量子计算具备应用价值的前提条件。
2019 年，谷歌公司率先宣称达成了量子计算优越性。谷歌公司的 53 比特处理器，在 200 秒内完成了随机线路采样任务。而用当时最快的超级计算机来模拟这一任务，大约需要一万年的时间。
2023 年，中国科学技术大学展示了更为先进的经典算法。用 1400 余块 A100 GPU 进行操作，仅需大约 14 秒就能完成相同的任务。倘若使用“前沿”超算且配备更大的内存，那么预计只需 1.6 秒就可以完成。所以，谷歌公司当时的“量子计算优越性”宣称已被中国科学技术大学给推翻了。
中国科学技术大学在 2020 年以最优经典算法作为比较标准，实现了国际上首个被严格证明的量子计算优越性。2021 年，中国科学技术大学又实现了超导体系首个被严格证明的量子计算优越性。
02
“祖冲之三号”
创造新纪录
研究团队以 66 比特“祖冲之二号”为基础，使各项关键性能指标得到大幅提升。他们实现了 105 个数据比特以及 182 个耦合比特的“祖冲之三号”。其中，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%，综合性能达到了国际领先水平。
“祖冲之三号”。图片来源：中国科学技术大学“墨子沙龙”
研究团队为测试其性能，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作为比较标准，此采样结果展现了目前超导体系最强的量子计算优越性。
相关成果在北京时间 3 月 3 日以封面论文的形式发表于国际学术期刊《物理评论快报》。审稿人对这一工作给予高度评价，称其构建了当下最高水准的超导量子计算机，并且是对之前 66 比特处理器（祖冲之二号）的重大升级。
目前研究团队在持续进行量子纠错方面的探索，同时也在开展量子纠缠的相关工作，并且在进行量子模拟以及量子化学等多领域的探寻，这些探索将会为达成大规模量子比特的集成以及操纵奠定基础。
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