量子计算优越性再升级：祖冲之三号如何超越经典极限？

中科院物理所

2025-03-05 13:52发布于北京中科院物理所官方账号

近日，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等，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，在超导量子计算领域取得重大突破，成功构建了具有105量子比特的祖冲之三号超导量子计算原型机，并通过随机线路采样（RCS）实验再次刷新量子计算优越性记录。该成果于2025年3月3日以封面论文的形式正式发表于国际权威物理期刊《Physical Review Letters》[1]，标志着我国在量子计算领域的国际领先地位进一步巩固。

2019年，谷歌首次实现量子优越性，让量子计算从理论走向现实^[2]；2024年，谷歌在进一步在Nature上发布了新的量子计算优越性成果^[3]。而中国“祖冲之号”系列超导量子计算机也在持续突破。此次发布的祖冲之三号，以83个超导量子比特的规模、99.6%的双比特门保真度，运行了量子随机线路采样实验。其仅需运行几百秒完成的任务，如果交由最快的经典计算机，则需要10^9年才能完成，再次超越了谷歌去年发布在Nature上的结果，向世界证明了量子计算的颠覆性潜力，巩固了中国在这一领域的领先地位。

▲图1：量子随机线路采样实验进展

量子随机线路采样实验：量子计算机的“极限跑分”

有关此前谷歌量子芯片以及这次祖冲之三号，都绕不开的一个话题就是量子随机线路采样。那么到底什么是量子随机路采样呢？为什么量子优越性实验总是围绕它展开的呢？

量子随机线路采样（RCS实验）本质上是个「暴力测试」——就像你突然想验证计算器靠不靠谱，于是疯狂乱按：先按999次开根号，再乘以π的100次方，最后加上随机生成的1000位数... 如果计算器秒出结果且答案正确，那绝对是真·硬核神器！

科学家们给量子计算机出的题也是这个套路：把几百上千个量子门（相当于计算器上的加减乘除键）随机组合成超复杂线路，让量子比特们「噼里啪啦」一顿操作。关键点在于：这道题必须难到经典计算机算到冒烟都出不来结果，但量子计算机却能光速交卷！那么在这么一类特定问题上，量子计算机展示出的远超经典计算机的能力，就是所谓的量子优越性。

量子计算机的“考卷”怎么打分？

量子随机线路采样实验最终产生的会是大量01串，那么面对海量的数据结果，我们要怎么衡量这些结果的正确度如何呢？这里有个巧妙的点：根据随机线路采样理论，通过量子随机线路输出的结果会形成特定的PT分布，而这种分布的性质提供了叫做”交叉熵”的工具，可以用来衡量两个PT分布之间的接近程度。科学家们就像拿着标准答案的老师，用「交叉熵」这把尺子，量一量量子计算机和经典计算机的答案与标准答案有多接近——这就是线路保真度。说人话就是：如果量子计算机乱蒙答案，保真度直接零分；要是完美计算得到标准答案，那就是满分100%！

但是，这道“考题”的复杂度堪称地狱级：祖冲之三号量子计算机在这一问题上的运算速度比目前最快超级计算机Frontier快15个数量级，经典计算机根本不可能在有限时间内算出完整答案！于是科学家祭出绝招——“四道大题拆分法”：把整张考卷拆成四部分，让经典计算机只算每道大题的“参考答案”，分别检查量子计算机，再像拼乐高一样把各题得分拼成总分。

▲表1：估计不同实验的经典计算成本。

拆开考卷打分靠谱吗？也有部分学者担心这是“管中窥豹”。为此研究团队花了大量的时间和精力做了双重验证：当题目简单到经典计算机也能完成时，拆分打分和整体打分的成绩完全一致！这就堵住了逻辑漏洞（总不能一边说量子计算机碾压经典计算机，一边又靠它来验证对错吧？），让量子优越性的结论稳稳立住了脚跟。

▲图2：图a展示的是此次105比特祖三芯片用到的83个比特的拓扑连接情况。图b和图c则分别是31 个量子比特和 83 个量子比特的量子随机线路采样实验的保真度，随着线路深度增加的变化。其中图b出现的full和4-patch标注，指的就是分别按照“整体打分”和“拆分打分”的结果，在31比特的规模上，两种方式的结果是吻合的。而图c展示的则是当问题规模增长到83比特时，只能用“拆分打分”后评估的结果。

为何执着于量子随机线路采样？

量子随机线路采样（RCS）实验堪称量子计算界的“极限性能测试”。这一实验范式始于2019年谷歌实现量子霸权的里程碑式突破，此后便成为衡量量子计算机综合性能的“黄金标尺”——它不仅要求量子比特数量足够多，更对量子门操控精度（保真度）、系统稳定性（退相干时间）等核心指标提出严苛挑战。中科大团队于2021年凭借“祖冲之二号”实现反超^[4]，2024年谷歌通过悬铃木芯片再度刷新纪录，而同年年底“祖冲之三号”以更优性能重夺领先地位。这场中美顶尖团队的“RCS拉锯战”，本质上是量子计算硬件能力的巅峰对决。

正如“祖冲之号”总设计师朱晓波教授所言：如果一个量子计算机连量子优越性都无法完成，那么在这台量子计算机上就不可能运行任何有实用价值的算法。这一论断揭示了RCS作为量子计算“基本功”的核心地位：它如同体操比赛中的规定动作，要求量子计算机在随机生成的复杂线路中保持超高精度，而任何细微的操作误差都会随着线路深度的增长被指数级放大。截至目前，全球仅有谷歌和中科大团队成功跨越这一技术门槛。

超导量子计算的“中国路径”

其实，祖冲之三号除了本次公开发表的在量子随机线路采样实验上的突破，在量子纠错任务上也取得了初步的进展。这些突破绝非偶然，其背后是一套瞄准“自主可控”的核心技术体系：

1.高精度量子操控：通过三维集成封装技术与低温控制优化，量子比特平均相干时间提升至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%；

2.高效纠错潜力：尽管尚未实现完整量子纠错，芯片设计已经兼容了表面码拓扑结构——这种类似棋盘格子的纠错编码方案。目前可以团队正在针对d=7的量子纠错表面码展开实验，为跨越“纠错盈亏点”而努力；

3.全链条自主可控：面对复杂国际环境，我国科研团队以“集中力量办大事”的体制攻坚关键核心技术，已实现包括极低温制冷、量子测控系统等核心部件的100%国产化，并建立起覆盖设计-制备-封装-测试的全流程工艺体系。这一突破标志着超导量子计算产业链的自主底座日趋完善，为后续技术迭代筑牢根基。

▲图3：中国科大团队自主研发的超导量子计算机

量子计算的未来：一场静默的革命

量子优越性实验常被质疑“实用性不足”，核心论据在于，其实现的计算并不是我们需要解决的实际问题，更多的是一个“跑分测试”。但实际上，其意义远超实验本身——它验证了以量子力学为基础的量子计算的正确性，更打开了新世界的大门，是走向实用量子计算的必经之路。

从“九章”光量子计算机到“祖冲之号”超导量子计算体系，中国正以多技术路线并进的姿态，迈向“量子称霸”的终极目标。潘建伟院士曾表示：“量子信息技术还需要长期的发展，一个积极、理性且促进合作的环境是必要的。”第二次量子革命需要耐心，而祖冲之三号的里程碑，或许只是这场静默革命的序章。

参考文献

[1].Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor

[2].Arute, F. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature (2019).

[3].Morvan, A. et al. Phase transitions in random circuit sampling. Nature (2024).

[4].Wu, Y. et al. Strong Quantum Computational Advantage Using a Superconducting Quantum Processor. Phys. Rev. Lett. (2021).

来源：墨子沙龙

编辑：二分