近期，中國科學技術大學潘建偉院士團隊成功研製了“祖沖之三號”超導量子計算機原型機，再次重新整理了量子計算優越性記錄。
該裝置由 105 個量子位元組成，並實現了極高的操作保真度：單量子位元門保真度達 99.90%，雙量子位元門保真度為 99.62%，讀出保真度達 99.18%。
在實驗中，研究人員在“祖沖之三號”上完成了 83 量子位元、32 週期的隨機電路取樣任務，僅用幾百秒就生成了 100 萬個樣本。
（來源：Physical Review Letters）
這一成果極大地突破了當前量子硬體的能力極限。據估計，即便在最強大的經典超級計算機 Frontier 上，完成相同任務大約需要 6.4×109年。
此前，谷歌的“懸鈴木”處理器在 32 個週期內實現了 67 個量子位元（SYC-67），以及在 24 個週期內實現了 70 個量子位元（SYC-70），並保持著最大規模隨機量子電路的記錄。
此次“祖沖之三號”打破了這一記錄，使得經典模擬的成本比谷歌的 SYC-67 和 SYC-70 實驗高出六個數量級，從而為量子計算優勢確立了新的基準。該研究不僅推動了量子計算領域的發展，還為量子處理器在解決複雜現實問題中發揮關鍵作用開闢了新的道路。
近日，相關論文發表在 Physical Review Letters，題目為《以基於 105 量子位元的“祖沖之三號”處理器建立量子計算優勢新基準》（Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor）[1]。
圖丨相關論文（來源：Physical Review Letters）
“祖沖之三號”量子處理器是其前身“祖沖之二號”的重大升級，無論是在量子位元的數量還是質量上都具有顯著提升。它容納了 105 個 Transmon 量子位元，並以 15 行 7 列的佈局排列組成二維矩形晶格。
研究人員從處理器中選擇了最多 83 個量子位元進行實驗，展示了其在量子計算領域的強大效能。
“祖沖之三號”最重要的進步之一是相干時間的增強，這得益於一系列關鍵策略的實施。
第一，優化了量子位元的電路引數，包括電容和約瑟夫森電感，以降低對電荷和通量噪聲的敏感性。
第二，基於調整量子位元電容器墊的形狀來最佳化電場分佈，盡最大可能地減少表面介電損耗。
第三，佈線中的衰減器配置得到了升級，有效減輕了室溫電子裝置的噪聲，從而顯著縮短了退相干時間。
最後，更新了晶片製造工藝，透過光刻技術在頂部藍寶石襯底上定義鉭制基礎元件，在底部藍寶石襯底上定義鋁製元件，再利用銦凸塊倒裝晶片技術將二者結合。
該方案在減輕介面處的汙染的同時，還將量子位元的弛豫時間提升到 72µs，去相時間提高到 58µs。
在門操作效能方面，單量子位元門與類 iSwap 門的校準過程延續了此前“祖沖之二號”的方法。得益於相干時間的提升，當同時應用所有門時，單量子位元門（e1）和類 iSwap 門（e2）的平均泡利誤差分別降低至 0.10% 和 0.38%。
（來源：Physical Review Letters）
讀取效能是“祖沖之三號”的另一項重大進步。該課題組將量子位元和讀出諧振器之間的耦合強度提高到約 130MHz，並將讀出諧振器的線寬調整到 10MHz 左右，旨在實現高保真度的快速讀出。但不可忽視的是，弛豫時間會隨著耦合強度和線寬的增大而縮短。
為解決這一問題，研究人員透過最佳化帶通濾波器的設計，保護色散量子位元免受珀塞爾效應的干擾（注：珀塞爾效應，指的是量子發射體的自發輻射特性會受到周圍環境的影響）。
為減少熱噪聲對狀態準備的影響，縮短每次取樣的持續時間，該團隊在每次取樣任務開始前會進行三輪測量，並透過單量子位元門將量子位元恢復到 |0⟩ 狀態。結果顯示，一系列最佳化後，83 個量子位元的平均讀出誤差減少到 0.82%。
在初始校準之後，該課題組繼續進行隨機量子電路取樣，以評估量子處理器的整體效能。為進一步擴大量子計算與經典模擬之間的效能差距，在設計隨機量子電路時，研究人員採用了領域內的已有方法。
值得注意的是，每層兩量子位元門中的兩量子位元類 iSwap 門都按照特定的 A、B、C 和 D 模式排列，並在每個週期中按照 ABCD-CDAB 的順序執行，這種獨特的設計有助於最佳化電路效能。
（來源：Physical Review Letters）
在實驗中，研究人員成功實現了 83 個量子位元、12 到 32 個週期的隨機電路取樣。對於具有 83 個量子位元和 32 個週期的最大全電路，研究人員總共收集了大約 4.1×10⁸ 個位元串。
為了評估電路的保真度，研究人員還從 4-patch 中收集了相應的位元串，其實驗保真度為 0.030%，而理論估計的保真度為 0.033%。
二者的高度一致性結果表明，即使在量子位元規模較大且電路深度較高的情況下，採用離散誤差模型來估計保真度仍然具有高度可靠性。基於此，研究人員估計具有 83 個量子位元和 32 個週期的整個電路的保真度為 0.025%。
張量網路演算法是目前用於模擬隨機量子電路的前沿經典演算法。為了進一步量化量子計算的優越性，研究人員採用這種方法對具有 80 個量子位元和 32 個週期的最複雜電路的經典計算成本進行了評估。
在考慮到記憶體限制的情況下，研究人員採用了最先進的方法研究了以下兩種情況：
第一種情況是將記憶體限制在 9.2PB，這與當前最強大的超級計算機 Frontier 的記憶體容量相當。
基於該條件，使用經典計算機從 83 量子位元、32 週期的隨機電路生成 100 萬個保真度為 0.025% 的不相關位元串，所需的浮點運算（FLOP，Floating Point Operations Per Second）估計數量為 8.4×1033。
相比之下，谷歌最新的量子計算優勢實驗 SYC-67 的經典模擬複雜度估計為 4.7×1027，用於以與實驗匹配的保真度複製相同數量的位元串。這意味著，模擬“祖沖之三號”最具挑戰性的隨機量子電路的經典成本比 SYC-67 高出六個數量級。
綜上所述，“祖沖之三號”不僅在量子位元數量上取得了突破，還顯著提高了量子操控的精度，這種雙重進步是擴充套件量子計算能力的關鍵。
基於這一強大的平臺，研究人員成功執行了比谷歌之前實現的更大規模的隨機電路取樣，進一步拉大了經典計算與量子計算之間的計算能力差距。這一成果不僅是量子硬體進步的有力證明，也為量子計算在最佳化演算法、機器學習模型及藥物研發等前沿領域的實際應用奠定了堅實的基礎。
參考資料：
1.Gao,D. et al. Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi3.0 Processor. Physical Review Letters 134, 090601(2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.090601
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