2024年12月17日，中國科研團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，中國科技大學(xué)潘建偉、朱曉波團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本平臺(tái)arXiv上傳論文，發(fā)布了我國自主研發(fā)的具有105個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之三號(hào)”。

這篇論文的標(biāo)題為《使用105量子比特“祖沖之三號(hào)”處理器建立量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的新基準(zhǔn)測(cè)試》（Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor），朱曉波、潘建偉為論文通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院上海科學(xué)研究中心等共9家科研機(jī)構(gòu)的共154名科研人員參與了本次研究。

使用105量子比特“祖沖之三號(hào)”處理器建立量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的新基準(zhǔn)測(cè)試

據(jù)論文介紹，相比于“祖沖之二號(hào)”，“祖沖之三號(hào)”有了重大的改進(jìn)，這種改進(jìn)主要提升在量子比特（qubits）的數(shù)量和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面。

量子比特是量子計(jì)算的核心要素，其數(shù)量和質(zhì)量直接影響量子處理器的計(jì)算能力和性能，祖沖之三號(hào)”的量子比特?cái)?shù)相比擁有66個(gè)量子比特的“祖沖之二號(hào)”提升至105個(gè)，同時(shí)具有極高的保真度操控能力，可以處理更復(fù)雜的量子計(jì)算任務(wù)。相比于“祖沖之二號(hào)”，“祖沖之三號(hào)”的單量子比特門保真度由99.7%提升至99.90%，雙量子比特門保真度由99.2%提升至99.62%，讀取保真度由98.1%提升至99.18%。

更多的量子比特?cái)?shù)量使得能夠處理更復(fù)雜的量子信息和執(zhí)行更復(fù)雜的量子算法，而高精度的操作能保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，兩者結(jié)合起來就能讓量子計(jì)算在處理各類任務(wù)時(shí)更具優(yōu)勢(shì)，從而不斷拓展其能力邊界。

祖沖之三號(hào)

研究團(tuán)隊(duì)在該處理器上進(jìn)行隨機(jī)量子電路采樣實(shí)驗(yàn)，采用了 83 個(gè)量子比特、32次循環(huán)的隨機(jī)線路采樣實(shí)驗(yàn)，該任務(wù)規(guī)模比谷歌之前所實(shí)現(xiàn)隨機(jī)電路采樣規(guī)模更大。祖沖之三號(hào)僅用幾百秒就采集到了上百萬個(gè)樣本，而同樣的任務(wù)在當(dāng)今最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier上則需要6.4X10^9年。

論文中給出了兩種不同的場(chǎng)景來進(jìn)行計(jì)算成本估計(jì)。一種場(chǎng)景是以Frontier超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)際的內(nèi)存量 9.2 PB（1PB = 1024TB，是衡量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的單位）為基礎(chǔ)進(jìn)行考慮。另一種場(chǎng)景則是把Frontier的實(shí)際內(nèi)存和它所有的存儲(chǔ)容量加起來，得到762.2PB來進(jìn)行估算，不過后者在實(shí)際中并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橥ǔ：茈y將所有存儲(chǔ)都完全當(dāng)作內(nèi)存來使用，會(huì)受到計(jì)算機(jī)架構(gòu)、數(shù)據(jù)管理等諸多因素限制。無論在哪種情況中，祖沖之三號(hào)都展現(xiàn)出了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)超算的實(shí)力。

該研究進(jìn)一步凸顯了量子計(jì)算機(jī)在處理特定復(fù)雜任務(wù)時(shí)的高效性和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子團(tuán)隊(duì)正在基于“祖沖之三號(hào)”處理器開展相關(guān)工作，計(jì)劃在數(shù)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)碼距為7的表面碼邏輯比特，并進(jìn)一步將碼距擴(kuò)展到9和11，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

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