北京
上周，引发业界广泛关注。
一方面，Willow 能够在使用较多量子比特（105 个量子比特）的情况下大幅减少错误，让纠错量子计算 30 年来“低于阈值”（在增加量子比特数量的同时减少错误）的目标成为现实；另一方面，Willow 在解决某些特定计算时的速度大幅度提升，官方称其 5 分钟内完成的一项特定计算在当今最强超级计算机 Frontier 上需要 10²⁵ 年。
（来源：arXiv）
近日，由中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院上海科学研究中心等组成的联合团队在 arXiv 平台上发表了题为“Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor”（105 量子比特“祖冲之三号”处理器树立量子计算优越性新标杆）的论文（潘建伟院士、朱晓波教授为论文共同通讯作者），展示了拥有 105 个量子比特的超导量子计算机“祖冲之三号”，实现了高操作保真度，单量子比特门、双量子比特门和读出保真度分别达到 99.90%、99.62% 和 99.18%。
研究团队在“祖冲之三号”上进行了 83 量子比特、32 周期的随机线路采样（RCS）基准测试，其在数百秒内完成了 100 万个样本的采集。据估计，这项任务在当今最强超级计算机 Frontier 上大约需要 6.4×10⁹ 年才能完成。
（来源：arXiv）
实验显示，“祖冲之三号”处理器性能超谷歌 72 比特“悬铃木”处理器 6 个数量级（谷歌于今年 10 月发表在 Nature 期刊上的最新进展），树立了超导量子计算优越性的新基准。
据论文介绍，“祖冲之三号”处理器由两个使用倒装芯片技术集成的蓝宝石芯片构成，其中一颗芯片上集成了 105 个量子比特和 182 个耦合器，另一颗芯片集成了控制线和读取谐振器。
（来源：arXiv）
“祖冲之三号”在前代（即“祖冲之二号”）的基础上进一步优化了设计与工艺，在比特数与性能方面有了大幅提升，对比前代的 66 个量子比特，其量子比特数提升到 105 个，呈 15 行 7 列的二维矩形晶格排列，计算能力得到提升。
除此之外，“祖冲之三号”量子处理器大幅提高了相干时间，将弛豫时间延长到 72μs，将退相位时间延长到 58μs；同时也提高了读取性能，经过优化后 83 个量子比特的平均读取错误率被抑制到 0.82%。
综合来看，“祖冲之三号”的发布不仅标志着国内在实现量子计算优越性方面的一个重要突破，也为未来利用量子计算机解决现实复杂问题打下基础。
围绕量子计算研究重心开始偏向量子纠错
如今量子计算成为了国家之间综合国力竞争的焦点，目前已有 30 余个国家开展了以量子计算为重点的量子信息领域规划布局。现阶段，围绕量子计算的竞赛主要围绕量子计算优越性和量子纠错技术。
所谓“量子计算优越性”，指的是量子计算机要在特定的问题求解上展现出远超经典计算机的能力，以及解决超级计算机难以或无法完成的计算任务。例如，开头提到的 Willow 在 5 分钟内完成特定计算在最强超算 Frontier 上需要 10²⁵ 年。
很大程度上，量子计算优越性是量子计算机具备应用价值的前提，亦是现阶段衡量一个国家量子计算研发实力的核心指标。
近几年，国内在量子计算优越性方面取得了多次重大突破。2020 年，中国科学技术大学潘建伟和团队构建的光量子计算原型机“九章”基于光子路线首次严格证明了量子计算优越性；2021 年，潘建伟和团队构建的超导量子计算原型机“祖冲之二号”再次证明量子计算优越性，成为继“九章”后在超导量子比特体系首次达到量子计算优越性里程碑。值得一提的是，中国是目前唯一同时在两种物理体系都达到量子计算优越性里程碑的国家。
达到量子计算优越性里程碑之后，业界围绕量子计算的研究开始转向量子纠错技术，其中，“表面码”是实现量子纠错大规模扩展最成熟的方案之一。
（“祖冲之二号”超导量子处理器）
2022 年，潘建伟和团队在“祖冲之二号”超导量子处理器上实现了由 17 个量子比特组成的码距为 3 的表面码逻辑比特，首次证明了使用表面码进行重复量子纠错的可行性，为今后实现更强大的大规模量子纠错提供了指导。
2023 年，谷歌实现了码距为 3、5 的表面码逻辑比特，展示了错误率随着码距的增加而下降；就在上周，谷歌在 Nature 上发表论文展示了“Willow”实现了码距为 3、5 和 7 的表面码逻辑比特，并显著降低了逻辑比特错误率，在原理上验证了表面码方案的扩展性，为接下来集成和操纵大规模量子比特系统打下基础。
针对量子纠错，现阶段潘建伟和团队正围绕“祖冲之三号”开展深入研究，计划在数月内实现码距为 7 的表面码逻辑比特，并进一步将码距扩展到 9 和 11，以期实现大规模量子比特的集成和操纵。
参考资料：
1.https://arxiv.org/abs/2412.11924
2.https://arxiv.org/pdf/2412.11924
3.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1818698856030737090&wfr=spider&for=pc
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