近日，中國科學家在超導量子計算領域取得重大突破，成功構建出具有105個量子比特的“祖沖之三號”超導量子計算原型機，並通過隨機線路採樣（RCS）實驗再次刷新量子計算優越性紀錄，處理“量子隨機線路採樣”問題的速度比目前國際最快的超級計算機快千萬億倍。該成果以封面論文的形式正式發表於國際權威物理期刊《物理評論快報》（Physical Review Leters，簡稱PRL）。

快千萬億倍是多快？量子計算優越性又是什麼意思？“祖沖之三號”這次進展究竟意味著什麼？我們離用上量子計算機還有多遠？接下來讓我們來一探究竟。

“祖沖之三號”這次突破究竟有多大？

量子具有疊加態，這意味著每個量子比特都可以同時編碼2個狀態。當量子比特的數量不斷增加時，量子系統能夠編碼的狀態數量會呈現出指數級的爆炸式增長。

如果我們把量子處理器比作一個超級大腦的話，那麼量子比特就相當於大腦中的神經元。神經元的數量越多，大腦處理的信息就越復雜、越龐大，也就意味著它能夠解決更困難的問題。

（“祖沖之三號”芯片示意圖）

“祖沖之三號”擁有105個量子比特，能夠編碼2的105次方個狀態，相比它的前一代——擁有66個量子比特的“祖沖之二號”，二者的編碼狀態空間大小就相差了約5千億倍。當然，這僅僅是編碼空間的差距，在衡量實際計算能力的差距時還需考慮量子門操作和讀取的保真度。

“保真度”是量子計算中非常重要的概念，簡單來說，保真度就像是量子操作的“精准度”，用來衡量實際操作和理想操作之間的相似程度。保真度越高，說明實際量子操作越接近理想狀態，誤差就越小。

“祖沖之三號”量子計算機在三個關鍵指標上取得了很高的保真度：並行單比特門保真度達到99.90%、並行兩比特門保真度達到99.62%、並行讀取保真度達到99.13%。這些高保真度的實現，就像是給量子計算機裝上了高精度的“眼睛”“手”，讓它能夠更准確地執行復雜的量子算法。

所以，“祖沖之三號”的成功構建，一方面極大地提高了量子計算機計算能力的上限，使其能夠處理更加復雜的問題﹔另一方面，也為量子糾錯提供了更多的資源，有望實現碼距更高的表面碼邏輯比特，從而降低量子計算的錯誤率，推動量子計算機從實驗室走向實際應用。

科學家們追求的量子計算優越性，究竟意味著什麼？

在提到量子計算以及量子計算優越性時，繞不開一個詞：量子隨機線路採樣（RCS）。它是目前衡量量子計算機性能的重要標准。

在經典計算機的計算過程中，通常是先將待處理的數據輸入系統，然后依據特定算法執行一系列的邏輯門操作，這些操作完成后，得到的處理后數據就是計算結果。量子計算機的計算過程與之類似。

而量子隨機線路採樣，就是先將量子信息導入，接著運行一系列的量子邏輯門操作，最后對最終的量子態計算結果進行取樣。量子隨機線路取樣任務中的隨機性主要體現在科學家們會隨機選取多種量子邏輯門操作，從而獲得多種隨機的量子態計算結果。而通過對這些計算結果進行統計分析，可以得到量子計算機在多種情況下的計算結果的准確程度，進而全面評估量子計算機的整體性能。

因此，可以說，在實現量子隨機線路採樣上表現越好，量子計算機的性能越強。而當量子計算機在某些特定問題上的計算能力能夠超越最強的經典計算機時，我們就把它稱為量子計算優越性。

“量子計算優越性”的研究具有裡程碑意義，它不僅驗証了量子力學原理在計算領域的可行性與潛力，為量子計算理論發展提供了實驗支撐，展示了量子計算機真正地提供超越經典計算機算力的能力，推動了第二次量子革命的進展，也為量子計算機向著終極目標——實現可容錯的通用量子計算機——奠定了堅實的基礎。

我們離用上量子計算機還有多遠？

“祖沖之三號”超導量子計算原型機實現了目前超導體系最強量子計算優越性，那是不是意味著我們就快用上量子計算機了呢？

如今，隨著人工智能、氣候模擬等領域的復雜度飆升，受限於晶體管逼近物理極限，摩爾定律逐漸失效，我們使用的經典計算機已難以滿足指數級增長的計算需求。於是，人們寄希望於量子計算機，希望量子計算機能夠早日實現應用，幫助我們解決算力提升的問題。

然而，要實現量子計算機的實用化，並不是一蹴而就的事情。

目前，科學家們把量子計算的發展整體分為三個階段：

第一階段：實現量子計算優越性，相干操縱50多個量子比特，對特定問題的計算能力超越最快的超級計算機。

第二階段：實現專用量子模擬機，相干操縱數百至上千個量子比特，用於解決經典計算機無法勝任的諸如量子化學、高溫超導機理、拓扑物態等重要科學問題。

第三階段：實現通用容錯量子計算機，在量子糾錯的輔助下相干操縱至少上百萬量子比特，用於解決經典密碼破解、人工智能、材料設計、生物制藥等領域的計算難題。

想要達到量子計算機發展的第三個階段——通用可容錯的量子計算機，實現量子計算的全面實用化，需要借助量子糾錯算法來降低邏輯比特的錯誤率。目前，科學家們預計，需要大約10-15年左右的時間，能夠構建起擁有數千邏輯比特且邏輯錯誤率控制在1e-10量級的量子計算原型機。

審核：查辰，中國科學技術大學上海研究院博士后，“祖沖之三號”成果論文第一作者

策劃：史文慧、閻冬

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