近(jìn)日(rì)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)家(jiā)在(zài)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)领(lǐng)域取(qǔ)得(de)重(zhòng)大(dà)突(tū)破(pò)，成(chéng)功(gōng)构(gòu)建(jiàn)出(chū)具(jù)有(yǒu)105个(gè)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)“祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)”超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)原(yuán)型(xíng)机(jī)，并(bìng)通(tōng)过(guò)随(suí)机(jī)线(xiàn)路采样(yàng)（RCS）实(shí)验(yàn)再(zài)次(cì)刷(shuā)新(xīn)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)优(yōu)越(yuè)性(xìng)纪(jì)录(lù)，处(chù)理(lǐ)“量(liàng)子(zi)随(suí)机(jī)线(xiàn)路采样(yàng)”问(wèn)题(tí)的(de)速(sù)度(dù)比(bǐ)目(mù)前(qián)国(guó)际(jì)最(zuì)快(kuài)的(de)超(chāo)级(jí)计(jì)算(suàn)机(jī)快(kuài)千(qiān)万(wàn)亿(yì)倍(bèi)。

快(kuài)千(qiān)万(wàn)亿(yì)倍(bèi)是(shì)多(duō)快(kuài)？量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)优(yōu)越(yuè)性(xìng)又(yòu)是(shì)什(shén)么(me)意(yì)思(sī)？“祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)”这(zhè)次(cì)进(jìn)展(zhǎn)究(jiū)竟(jìng)意(yì)味(wèi)着(zhe)什(shén)么(me)？我(wǒ)们(men)离(lí)用(yòng)上(shàng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)还(hái)有(yǒu)多(duō)远(yuǎn)？接(jiē)下(xià)来(lái)让(ràng)我(wǒ)们(men)来(lái)一(yī)探(tàn)究(jiū)竟(jìng)。

（超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)，图(tú)库(kù)版(bǎn)权(quán)图(tú)片(piàn)，转(zhuǎn)载(zài)使(shǐ)用(yòng)可(kě)能(néng)引(yǐn)发(fā)版(bǎn)权(quán)纠(jiū)纷(fēn)）

1.“祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)”这(zhè)次(cì)突(tū)破(pò)究(jiū)竟(jìng)有(yǒu)多(duō)大(dà)？

量(liàng)子(zi)具(jù)有(yǒu)叠(dié)加(jiā)态(tài)，这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)每(měi)个(gè)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)都(dōu)可(kě)以(yǐ)同(tóng)时(shí)编(biān)码(mǎ)2个(gè)状(zhuàng)态(tài)。当(dāng)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)数(shù)量(liàng)不(bù)断(duàn)增(zēng)加(jiā)时(shí)，量(liàng)子(zi)系(xì)统(tǒng)能(néng)够(gòu)编(biān)码(mǎ)的(de)状(zhuàng)态(tài)数(shù)量(liàng)会(huì)呈(chéng)现(xiàn)出(chū)指(zhǐ)数(shù)级(jí)的(de)爆(bào)炸(zhà)式(shì)增(zēng)长(zhǎng)。

如(rú)果(guǒ)我(wǒ)们(men)把(bǎ)量(liàng)子(zi)处(chù)理(lǐ)器(qì)比(bǐ)作(zuò)一(yī)个(gè)超(chāo)级(jí)大(dà)脑(nǎo)的(de)话(huà)，那(nà)么(me)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)就(jiù)相(xiāng)当(dāng)于(yú)大(dà)脑(nǎo)中(zhōng)的(de)神(shén)经(jīng)元(yuán)。神(shén)经(jīng)元(yuán)的(de)数(shù)量(liàng)越(yuè)多(duō)，大(dà)脑(nǎo)处(chù)理(lǐ)的(de)信(xìn)息(xi)就(jiù)越(yuè)复(fù)杂(zá)、越(yuè)庞(páng)大(dà)，也(yě)就(jiù)意(yì)味(wèi)着(zhe)它(tā)能(néng)够(gòu)解(jiě)决(jué)更(gèng)困(kùn)难的问题。

“祖冲之三号”芯片示意图。

图片来源：中国科学技术大学

“祖冲之三号”拥有105个量子比特，能够编码2的105次方个状态，相比它的前一代——拥有66个量子比特的“祖冲之二号”，二者的编码状态空间大小就相差了约5千亿倍。当然，这仅仅是编码空间的差(chà)距(jù)，在(zài)衡(héng)量(liàng)实(shí)际(jì)计(jì)算(suàn)能(néng)力(lì)的(de)差(chà)距(jù)时(shí)还(hái)需(xū)考(kǎo)虑(lǜ)量(liàng)子(zi)门(mén)操(cāo)作(zuò)和(hé)读(dú)取(qǔ)的(de)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)。

“保(bǎo)真(zhēn)度(dù)”是(shì)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)中(zhōng)非(fēi)常(cháng)重(zhòng)要(yào)的(de)概(gài)念，简单来说，保真度就像是量子操作的“精准度”，用来衡量实际操作和理想操作之间的相似程度。保真度越高，说明实际量子操作越接近理想状态，误差就越小。

“祖冲之三号(hào)”量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)在三个关键指(zhǐ)标(biāo)上(shàng)取(qǔ)得(de)了(le)很(hěn)高(gāo)的(de)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)：并(bìng)行(xíng)单(dān)比(bǐ)特(tè)门(mén)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)达(dá)到(dào)99.90%、并(bìng)行(xíng)两(liǎng)比(bǐ)特(tè)门(mén)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)达(dá)到(dào)99.62%、并(bìng)行(xíng)读(dú)取(qǔ)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)达(dá)到(dào)99.13%。这(zhè)些(xiē)高(gāo)保(bǎo)真度的实现，就(jiù)像(xiàng)是给量子计算机装上了高精度的“眼睛”和“手”，让它能够更准确地执行复杂的量子算法。

所以，“祖冲之三号”的成功构建，一方面极大地提高了量子计算(suàn)机(jī)计算能力的上限，使其能够处理更加复杂的问题；另一方面，也为量子纠错提供了更多的资源，有望实现码(mǎ)距更高的表面码逻辑比特，从而降低量子计算的错误率，推动量子计算机从实验室走向实际应用。

2.科学家们追求的量子计算优越性，究竟意味着什么？

在提到量子计算以及量子计算优越性时，绕不开一个词：量子随机线路采样（RCS）。它是目前衡量量子计算机性能的重要标准。

在经典计算机的计算过程中，通常是先将待处理的数据(jù)输(shū)入系统，然后依据特定算法执行一系列的逻辑门操作，这些操作完成后，得到的处理后数据就是计算结果。量子计算机的计算过程与之类似。

而量子随机线路采样，就是先将量子信息导(dǎo)入(rù)，接(jiē)着(zhe)运(yùn)行(xíng)一(yī)系(xì)列(liè)的(de)量(liàng)子(zi)逻(luó)辑(ji)门(mén)操(cāo)作(zuò)，最(zuì)后(hòu)对(duì)最(zuì)终(zhōng)的(de)量(liàng)子(zi)态(tài)计(jì)算(suàn)结(jié)果(guǒ)进(jìn)行(xíng)取(qǔ)样(yàng)。量(liàng)子(zi)随(suí)机(jī)线(xiàn)路取样任务中的随(suí)机(jī)性(xìng)主要(yào)体(tǐ)现(xiàn)在(zài)科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)会(huì)随(suí)机(jī)选(xuǎn)取(qǔ)多(duō)种(zhǒng)量(liàng)子(zi)逻(luó)辑(ji)门(mén)操(cāo)作(zuò)，从(cóng)而(ér)获(huò)得(de)多(duō)种(zhǒng)随(suí)机(jī)的(de)量(liàng)子(zi)态(tài)计(jì)算(suàn)结(jié)果(guǒ)。而(ér)通(tōng)过(guò)对(duì)这(zhè)些(xiē)计(jì)算(suàn)结(jié)果(guǒ)进(jìn)行(xíng)统(tǒng)计(jì)分(fēn)析(xī)，可(kě)以(yǐ)得到量子计算机在多种情况下的计算结果的准确程度，进而全面评估量子计算机的整体性能。

因此，可以说，在实现量子随机线路采样上表现越好，量子计算机的性能越强。而当量子计算机在某些特定问题上的计算能力能够超越最强的经典计算机时，我们就把它称为量子计算优越性。

“量子计(jì)算(suàn)优(yōu)越(yuè)性(xìng)”的(de)研(yán)究(jiū)具(jù)有(yǒu)里(lǐ)程(chéng)碑(bēi)意(yì)义(yì)，它(tā)不(bù)仅(jǐn)验(yàn)证(zhèng)了(le)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)原(yuán)理(lǐ)在(zài)计(jì)算(suàn)领(lǐng)域的(de)可(kě)行(xíng)性(xìng)与(yǔ)潜(qián)力(lì)，为(wèi)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)理(lǐ)论(lùn)发(fā)展(zhǎn)提(tí)供(gōng)了(le)实(shí)验(yàn)支(zhī)撑(chēng)，展(zhǎn)示(shì)了(le)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)真(zhēn)正(zhèng)地(de)提(tí)供(gōng)超越经典计算机算力的能力，推动了(le)第(dì)二(èr)次(cì)量(liàng)子(zi)革(gé)命(mìng)的(de)进(jìn)展(zhǎn)，也(yě)为(wèi)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)向(xiàng)着(zhe)终(zhōng)极(jí)目(mù)标(biāo)——实(shí)现(xiàn)可(kě)容(róng)错(cuò)的(de)通(tōng)用(yòng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)——奠(diàn)定(dìng)了(le)坚(jiān)实(shí)的(de)基(jī)础(chǔ)。

3.我(wǒ)们(men)离用上量子计算机还有多远？

“祖冲之三号”超导量子计算原型机实现了目前超导体系最强量子计算优越性，那是不是意味着我们就快用上量子计算机了呢？

如今，随着人工智能、气候模拟等领域的复杂度飙升，受限于晶体管逼近物理极限，摩尔定律逐渐失效，我们使用的经典计算机已难以满足指数级增长的计算需求。于是，人们寄希望于量子计算机，希望量子计算机能够早日实现应用，帮助我们解决算力提升的问题。

然而，要实现量子计算机的实用化，并不是一蹴而就的事情。

目前，科学家们把量子计算的发展整体分为三个阶段：

第一阶段：实现量子计算优越性，相干操纵50多个量子比特，对特定问题的计算能力超越最快的超级计算机。

第二阶段：实现专用量子模拟机，相干操纵数百至上千个量子比特，用于解决经典计算机无法胜任的诸如量子化学、高温超导机理、拓扑物态等重要科学问题。

第三阶段：实现通用容错量子计算机，在量子纠错的辅助下相干操纵至少上百万量子比特，用于解决经典密码破解、人工智能、材料设计、生物制药等领域的计算难题。

想要达到量子计算机发展的第三个阶段——通用可容错的量子计算机，实现量子计算的全面实用化，需要借助量子纠错算法来降低逻辑比特的错误率。目前，科学家们预计，这个时间至少还需要大约 10-15 年。

审核：查辰，中国(guó)科(kē)学技术大学上海研究院博士，“祖冲之三号”成果论文第一作者

策划：史文慧、阎冬

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