2019年，谷歌首次實現量子優越性，讓量子計算從理論走向現實[2]；2024年，谷歌在進一步在Nature上釋出了新的量子計算優越性成果[3]。而中國“祖沖之號”系列超導量子計算機也在持續突破。此次釋出的祖沖之三號，以83個超導量子位元的規模、99.6%的雙位元門保真度 ，運行了量子隨機線路取樣實驗。其僅需執行幾百秒完成的任務，如果交由最快的經典計算機，則需要10^9年才能完成 ，再次超越了谷歌去年釋出在Nature上的結果，向世界證明了量子計算的顛覆性潛力，鞏固了中國在這一領域的領先地位。
▲圖1：量子隨機線路取樣實驗進展
量子隨機線路取樣實驗：
量子計算機的“極限跑分”
有關此前谷歌量子晶片以及這次祖沖之三號，都繞不開的一個話題就是量子隨機線路取樣。那麼到底什麼是量子隨機路取樣呢？為什麼量子優越性實驗總是圍繞它展開的呢？
量子隨機線路取樣（RCS實驗）本質上是個「暴力測試」——就像你突然想驗證計算器靠不靠譜，於是瘋狂亂按：先按999次開根號，再乘以π的100次方，最後加上隨機生成的1000位數… 如果計算器秒出結果且答案正確，那絕對是真·硬核神器！
科學家們給量子計算機出的題也是這個套路：把幾百上千個量子門（相當於計算器上的加減乘除鍵）隨機組合成超複雜線路，讓量子位元們「噼裡啪啦」一頓操作。關鍵點在於：這道題必須難到經典計算機算到冒煙都出不來結果，但量子計算機卻能光速交卷！那麼在這麼一類特定問題上，量子計算機展示出的遠超經典計算機的能力，就是所謂的量子優越性。
量子隨機線路取樣實驗最終產生的會是大量01串，那麼面對海量的資料結果，我們要怎麼衡量這些結果的正確度如何呢？這裡有個巧妙的點：根據隨機線路取樣理論，透過量子隨機線路輸出的結果會形成特定的PT分佈，而這種分佈的性質提供了叫做”交叉熵”的工具，可以用來衡量兩個PT分佈之間的接近程度。科學家們就像拿著標準答案的老師，用「交叉熵」這把尺子，量一量量子計算機和經典計算機的答案與標準答案有多接近——這就是線路保真度。說人話就是：如果量子計算機亂蒙答案，保真度直接零分；要是完美計算得到標準答案，那就是滿分100%！
但是，這道“考題”的複雜度堪稱地獄級：祖沖之三號量子計算機在這一問題上的運算速度比目前最快超級計算機Frontier快15個數量級，經典計算機根本不可能在有限時間內算出完整答案！於是科學家祭出絕招——“四道大題拆分法”：把整張考卷拆成四部分，讓經典計算機只算每道大題的“參考答案”，分別檢查量子計算機，再像拼樂高一樣把各題得分拼成總分。
▲表1：估計不同實驗的經典計算成本。
拆開考卷打分靠譜嗎？也有部分學者擔心這是“管中窺豹”。為此研究團隊花了大量的時間和精力做了雙重驗證：當題目簡單到經典計算機也能完成時，拆分打分和整體打分的成績完全一致！這就堵住了邏輯漏洞（總不能一邊說量子計算機碾壓經典計算機，一邊又靠它來驗證對錯吧？），讓量子優越性的結論穩穩立住了腳跟。
▲圖2：圖a展示的是此次105位元祖三晶片用到的83個位元的拓撲連線情況。圖b和圖c則分別是31 個量子位元和 83 個量子位元的量子隨機線路取樣實驗的保真度，隨著線路深度增加的變化。其中圖b出現的full和4-patch標註，指的就是分別按照“整體打分”和“拆分打分”的結果，在31位元的規模上，兩種方式的結果是吻合的。而圖c展示的則是當問題規模增長到83位元時，只能用“拆分打分”後評估的結果。
量子隨機線路取樣（RCS）實驗堪稱量子計算界的“極限效能測試”。這一實驗正規化始於2019年穀歌實現量子霸權的里程碑式突破，此後便成為衡量量子計算機綜合性能的“黃金標尺”——它不僅要求量子位元數量足夠多，更對量子門操控精度（保真度）、系統穩定性（退相干時間）等核心指標提出嚴苛挑戰。中科大團隊於2021年憑藉“祖沖之二號”實現反超[4]，2024年穀歌透過懸鈴木晶片再度重新整理紀錄，而同年年底“祖沖之三號”以更優效能重奪領先地位。這場中美頂尖團隊的“RCS拉鋸戰”，本質上是量子計算硬體能力的巔峰對決。
正如“祖沖之號”總設計師朱曉波教授所言：如果一個量子計算機連量子優越性都無法完成，那麼在這臺量子計算機上就不可能執行任何有實用價值的演算法。這一論斷揭示了RCS作為量子計算“基本功”的核心地位：它如同體操比賽中的規定動作，要求量子計算機在隨機生成的複雜線路中保持超高精度，而任何細微的操作誤差都會隨著線路深度的增長被指數級放大。截至目前，全球僅有谷歌和中科大團隊成功跨越這一技術門檻。
其實，祖沖之三號除了本次公開發表的在量子隨機線路取樣實驗上的突破，在量子糾錯任務上也取得了初步的進展。這些突破絕非偶然，其背後是一套瞄準“自主可控”的核心技術體系：
透過三維整合封裝技術與低溫控制最佳化，量子位元平均相干時間提升至 72微秒，並行單位元門保真度達到99.90%，並行兩位元門保真度達到99.62%，並行讀取保真度達到99.13%；
儘管尚未實現完整量子糾錯，晶片設計已經相容了表面碼拓撲結構——這種類似棋盤格子的糾錯編碼方案。目前可以團隊正在針對d=7的量子糾錯表面碼展開實驗，為跨越“糾錯盈虧點”而努力；
面對複雜國際環境，我國科研團隊以“集中力量辦大事”的體制攻堅關鍵核心技術，已實現包括極低溫製冷、量子測控系統等核心部件的100%國產化，並建立起覆蓋設計-製備-封裝-測試的全流程工藝體系。這一突破標誌著超導量子計算產業鏈的自主底座日趨完善，為後續技術迭代築牢根基。
▲圖3：中國科大團隊自主研發的超導量子計算機
量子計算的未來：
一場靜默的革命
量子優越性實驗常被質疑“實用性不足”，核心論據在於，其實現的計算並不是我們需要解決的實際問題，更多的是一個“跑分測試”。但實際上，其意義遠超實驗本身——它驗證了以量子力學為基礎的量子計算的正確性，更打開了新世界的大門，是走向實用量子計算的必經之路。
從“九章”光量子計算機到“祖沖之號”超導量子計算體系，中國正以多技術路線並進的姿態，邁向“量子稱霸”的終極目標。潘建偉院士曾表示：“量子資訊科技還需要長期的發展，一個積極、理性且促進合作的環境是必要的。”第二次量子革命需要耐心，而祖沖之三號的里程碑，或許只是這場靜默革命的序章。
[1].Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601）
[2].Arute, F. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature (2019). (https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5）
[3].Morvan, A. et al. Phase transitions in random circuit sampling. Nature (2024). (https://www.nature.com/articles/s41586-024-07998-6)
[4].Wu, Y. et al. Strong Quantum Computational Advantage Using a Superconducting Quantum Processor. Phys. Rev. Lett. (2021). (https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.180501)
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本文轉載自“墨子沙龍”，原標題《量子計算優越性再升級：祖沖之三號如何超越經典極限？》。
為分享前沿資訊及有價值的觀點，太空與網路微信公眾號轉載此文，並經過編輯。
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