記者今天（3日）從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等科研人員與上海量子科學(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)（10的15次方倍），超過谷歌2024年10月公開發(fā)表的最新成果6個(gè)數(shù)量級(jí)（10的6次方倍）。這一成果是我國(guó)繼超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子計(jì)算體系最強(qiáng)量子計(jì)算優(yōu)越性后，再一次打破超導(dǎo)體系量子計(jì)算優(yōu)越性紀(jì)錄。相關(guān)成果北京時(shí)間3月3日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》在線發(fā)表。
“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)算具備應(yīng)用價(jià)值的前提條件，也是當(dāng)前一個(gè)國(guó)家量子計(jì)算研究實(shí)力的直接體現(xiàn)。在這一方面，中美是目前國(guó)際第一方陣，呈現(xiàn)交替領(lǐng)先的態(tài)勢(shì)。
2019年，谷歌率先宣稱實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性。谷歌53比特“懸鈴木”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。但在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。
此后，以最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)于2020年在“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)上實(shí)現(xiàn)；而超導(dǎo)體系首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性同樣由該研究團(tuán)隊(duì)于2021年在“祖沖之二號(hào)”處理器上實(shí)現(xiàn)。2023年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的255光子“九章三號(hào)”量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算16個(gè)數(shù)量級(jí)（10的16次方倍）。2024年10月，谷歌67比特超導(dǎo)量子處理器“懸鈴木”量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算9個(gè)數(shù)量級(jí)（10的9次方倍）。
這一次，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72μs（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。
為測(cè)試其性能，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)，計(jì)算速度比最強(qiáng)超算快15個(gè)數(shù)量級(jí)（10的15次方倍），也超過2024年10月谷歌公開發(fā)表的最新成果6個(gè)數(shù)量級(jí)（10的6次方倍），為目前超導(dǎo)體系最強(qiáng)量子計(jì)算優(yōu)越性。
△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)。
