中國“祖沖之三號”量子處理器。圖源：墨子沙龍
導讀：
2024年12月9日，美國谷歌公司在《自然》期刊發表了利用105位元超導量子處理器“垂柳”實現了碼距最高為7的表面碼量子糾錯[1]。一週後的12月17日，中國國家實驗室105個量子位元的超導量子計算機“祖沖之三號”成果也線上發表在了arxiv上[2]。
兩項成果先後釋出，“祖沖之三號”處理器的各項效能指標也與“垂柳”處理器旗鼓相當。那麼，中美兩國在量子計算方面的實力究竟誰更強？
“墨子沙龍”對近期的科研進展進行梳理，並且採訪了多位相關領域的科研人員。
2024年12月20日下午2點，中國科學技術大學教授朱曉波將講解超導量子計算的現狀及近期和中遠期目標，並介紹相關團隊在該方向上取得的一系列進展。歡迎預約直播
墨子沙龍 | 來源
量子計算已成為全球主要國家之間開展綜合國力競爭，維護國家技術主權的關注焦點之一。近幾年全球主要科技國家在量子計算領域的規劃佈局持續加強，已有30餘個國家開展了以量子計算為重點的量子資訊領域規劃佈局。
“量子計算優越性”是指，量子計算機需要在特定的問題求解上，表現出超越經典計算機的能力，從而解決連超級計算機都無法在短時間內解決的計算任務。量子優越性是量子計算具備應用價值的前提條件，也是當前一個國家量子計算研究實力的直接體現。
2019年，谷歌宣佈其53位元“懸鈴木”量子處理器在200秒內完成了一項隨機線路取樣任務，並聲稱憑此實現了量子計算的優越性。然而，這一成果在2023年遭到中國科學家的有力挑戰。中國研究人員發展了更加先進的經典演算法，利用A100 GPU僅用約17秒便完成了同樣的任務，且同時其總能耗比谷歌還低14倍。這一突破性進展徹底打破了谷歌懸鈴木晶片關於量子優勢的論斷[3][4]。
2020年，“九章”光量子計算原型機利用光子路線首次證明量子計算優越性[5]。之後在2021年，超導體系首個被嚴格證明的量子計算優越性在“祖沖之二號”處理器上實現[6]。至此，中國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。
2024年12月17日，中國科學家在arxiv線上發表了105個量子位元的“祖沖之三號”量子計算機，超過谷歌於2024年10月發表於《自然》期刊的最新進展——72位元 “懸鈴木”處理器——6個數量級，為目前超導量子計算的最強優越性。
就在一週前，谷歌官宣了105位元的超導量子處理器“垂柳”。“祖沖之三號”處理器各項效能指標與“垂柳”處理器相當，表明中美當前在超導量子計算研究方面處於同一水平線。
谷歌還宣稱，透過大幅提升效能，105量子位元超導量子處理器“垂柳”可以將優勢比進一步提升至1030。谷歌沒有公佈實驗細節，因此暫無法對其實際效能進行評估。
透過量子糾錯抑制量子位元的錯誤率，是實現容錯通用量子計算機的必要途徑。現階段量子糾錯的研究重點是驗證量子糾錯的可擴充套件性, 表面碼是實現量子糾錯大規模擴充套件最成熟的方案。
2022年，中國科學家首先在“祖沖之二號”超導量子處理器上實現了碼距為3的表面碼量子糾錯，首次驗證了表面碼方案的可行性。2023年，谷歌實現了碼距為3和5的表面碼邏輯位元，首次展示了錯誤率隨著碼距的增加而下降。2024年12月的最新工作中，谷歌利用“垂柳”處理器實現了碼距為3、5和7的表面碼邏輯位元，並更為顯著地降低了邏輯位元的錯誤率，從原理上驗證了表面碼方案的擴充套件性，為整合和操縱大規模量子位元系統掃清了障礙。
那麼，中國科研團隊在量子糾錯方面的進展如何？中國科學技術大學超導量子團隊的吳玉林告訴“墨子沙龍”，國家實驗室正在基於“祖沖之三號” 處理器開展相關工作，計劃在數月內實現碼距為7的表面碼邏輯位元，並進一步將碼距擴充套件到9和11，為實現大規模量子位元的整合和操縱鋪平道路。“祖沖之三號”超導量子計算機在前代的基礎上，進一步優化了設計與工藝，在位元數與效能上面都有了全方位的提升。
除了超導量子計算外，中國在光量子計算、冷原子量子模擬等技術路線上也取得了豐富成果。
2020年，“九章”實現了76個光子的操縱，2021年的“九章二號”透過受激量子光源的技術使得能夠操控的光子數達到了113個。2022年，加拿大Xanadu和美國NIST合作，跟隨“九章”的高斯玻色取樣路線，也成功實現了219個光子的實驗。隨後，2023年，“九章三號”透過發展時空解複用的技術達到了255個光子。
據“九章”量子計算實驗室透露，目前已完成超過2000個光子的“九章四號”量子計算原型機的資料採集。初步預計，“九章四號”求解高斯玻色取樣的速度，即使與執行最優演算法、擁有無限記憶體的“前沿”超算相比，優勢比仍然達到1032，超過谷歌聲稱的最新進展100倍，預期為量子計算優越性新的世界紀錄。
一般普遍認為，量子計算有三個發展階段。第一個階段是實現量子計算優越性。量子計算系統對某些特定問題的求解速度已經遠遠的超過了經典超級計算機，以此展示量子計算本身的優越性。第二階段是構建專用的量子模擬機，用來求解一些經典計算機難以勝任的特定的複雜問題，比如高溫超導機制等。第三階段的目標是希望在量子糾錯的幫助之下，實現通用的、可程式設計的量子計算。
中國的量子計算處於哪一個階段呢？中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院姚星燦教授稱，我們剛剛進入第二階段，科學家們正致力於構建專用的量子模擬器，期望在未來3到5年內能夠解決一些具有實際應用價值的關鍵問題。
2024年7月，中國科大科研團隊成功構建了用於求解費米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器“天元”，並首次透過超越經典計算機的模擬能力驗證了該體系中的反鐵磁相變[7]。這一突破性進展為獲得費米子哈伯德模型的低溫相圖、深入理解量子磁性在高溫超導機制中的作用奠定了重要基礎（詳見：用13年，抵達量子模擬無人區）。目前，科學家正在最佳化“天元”的各項技術指標，力求使其能夠模擬費米原子在光晶格中的配對和凝聚現象，並進一步探索能否在晶格中實現單帶超流。
2025年是聯合國“量子科學與技術之年”，諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek在寫給“墨子沙龍”的專欄文章《量子之年，量子的世界》中指出：“自1925年以來，量子理論的範疇在一個世紀裡得到了極大拓展……（並且）在持續地發揮著它的影響力。這些發展將促生出更為先進的量子工具，進而賦能科學家們研發出更卓越的量子技術……在這螺旋式上升的創新過程中，新的夢想將被激發，新的現實也將被塑造。”
中美兩國在量子計算領域的“華山論劍”，正是其中的一個縮影。科研人員也將在競爭與合作中共同見證量子計算未來的發展。
谷歌最新發表在《自然》期刊上的工作，論文作者多達260餘名，並且與哈佛大學、麻省理工學院、加州大學聖芭芭拉分校等13所業內重要大學進行了合作，這就體現了量子計算領域發展的合作新趨勢。我國量子計算的研發未來同樣需要不斷擴大量子科技領域開放合作，主動融入全球科技創新網路，積極參與解決人類面臨的重大挑戰，努力推動量子科技創新成果惠及更多國家和人民。
參考資料：
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y
[2] https://arxiv.org/abs/2412.11924
[3] https://dl.acm.org/doi/10.1109/SC41406.2024.00085
[4] https://doi.org/10.1093/nsr/nwae317
[5] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe8770
[6] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501
[7] https://www.nature.com/articles/s41586-024-07689-2
宣告：原文於2024年12月17日首發於微信公眾號“墨子沙龍”，賽先生獲授權轉載。
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