中國量子運算新突破：祖沖之3號效能超越Google百萬倍

科技界近日掀起一陣轟動，中國科學技術大學（USTC）的研究團隊成功研發了祖沖之3號（Zuchongzhi-3），這款擁有105個量子位元的量子電腦，其運算速度不僅超越了當今最強大的超級電腦，更比Google最新的量子運算成果快上一百萬倍。這項成就標誌著量子霸權（quantum supremacy）領域的又一次重大突破。

祖沖之3號是一款超導量子運算原型機，配備了105個量子位元和182個耦合器。其運算速度驚人，比現今最強大的超級電腦快上10¹⁵倍，同時也比Google最新發表的量子運算成果快上一百萬倍。這項研究由潘建偉、朱曉波、彭承志等國內外學者共同領導，並以封面文章的形式發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

量子霸權指的是量子電腦能夠執行傳統電腦無法完成的任務，這一直是該領域的核心目標。2019年，Google的53量子位元處理器Sycamore在200秒內完成了一項隨機電路取樣任務，當時估計這項任務需要世界上最快的超級電腦花費10,000年才能完成。然而，2023年，USTC的研究團隊展示了更先進的傳統演演算法，使用超過1,400個A100 GPU，僅需14秒即可完成相同任務。隨著配備擴充套件記憶體的Frontier超級電腦問世，這項任務現在僅需1.6秒即可完成，這對Google先前宣稱的量子霸權提出了挑戰。

2020年，USTC團隊利用九章光量子運算原型機首次嚴格證明瞭量子霸權。2021年，他們又透過祖沖之2號超導處理器展示了量子霸權。2023年，團隊開發的255光子九章3號進一步超越了傳統超級電腦10¹⁶個數量級。2024年10月，Google的67量子位元超導量子處理器Sycamore也展示了量子霸權，效能超越傳統超級電腦九個數量級。

祖沖之3號基於66量子位元的祖沖之2號進行了關鍵效能指標的顯著提升，擁有105個量子位元和182個耦合器。其量子處理器的相干時間達到72微秒，單量子位元閘的同時保真度為99.90%，雙量子位元閘的同時保真度為99.62%，同時讀取保真度為99.13%。更長的相干時間為執行更複雜的操作和運算提供了必要的時間。

為評估其能力，團隊在系統上進行了一項83量子位元、32層的隨機電路取樣任務。結果顯示，其運算速度比世界上最強大的超級電腦快上15個數量級，並比Google最新的量子運算成果快上六個數量級，這在超導系統中建立了迄今為止最強的量子運算優勢。

在祖沖之3號取得最強量子運算優勢後，團隊正積極推進量子錯誤校正、量子糾纏、量子模擬和量子化學的研究。他們實現了二維網格量子位元架構，提升了量子位元的互連性和資料傳輸速率。利用這項架構，他們整合了表面碼，並正在開發距離為7的表面碼量子錯誤校正，計劃進一步擴充套件到距離9和11。這些努力旨在實現大規模量子位元的整合與操控。

這項研究具有深遠的意義，並獲得了廣泛的讚譽。一位期刊評審將其描述為一款新型超導量子電腦的基準，展示了最先進的效能，並相較於前代66量子位元裝置（祖沖之2號）有了顯著的升級。同時，《物理學雜誌》（Physics Magazine）也發表了一篇專題觀點文章，深入探討了其創新之處，並強調了其更廣泛的意義。