中国版 Willow 问世，中国科大潘建伟团队发布 105 量子比特“祖冲之三号”最新成果
IT之家 12 月 17 日消息，12 月 9 日，谷歌公司在《自然》发表了利用 105 比特超导量子处理器“垂柳（Willow）”实现了码距最高为 7 的表面码量子纠错。
一周后的 12 月 17 日，中国科学技术大学潘建伟院士团队在 arXiv 平台上发布我国研制的具备 105 个量子比特的超导量子计算机“祖冲之三号”的相关成果。
实验数据显示，“祖冲之三号”的性能优于谷歌上一代的“悬铃木”（Sycamore，今年 10 月《自然》刊文结果中采用 72 个量子比特）6 个数量级，各项性能指标也与谷歌刚发布的“垂柳”达到了同一量级，为目前超导量子计算的最强优越性。
IT之家注：“量子计算优越性”是指量子计算机需要在特定的问题求解上，表现出超越经典计算机的能力，从而解决连超级计算机都无法在短时间内解决的计算任务。量子优越性是量子计算具备应用价值的前提条件，也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。
除了中国科学技术大学，刊文单位还包括合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院上海科学研究中心、合肥国家实验室、国盾量子公司、河南省量子信息与量子密码重点实验室、中国计量科学研究院、济南量子技术研究院、西安电子科技大学、中国科学院理论物理研究所，这项成果由来自 9 家科研单位的 154 名科研人员共同完成，凸显了合作的重要性。IT之家注意到，Dongxin Gao、Daojin Fan、Chen Zha 为论文共同第一作者，朱晓波教授、潘建伟院士为论文通讯作者。
2019 年，谷歌宣布其 53 比特“悬铃木”量子处理器在 200 秒内完成了一项随机线路采样任务，并声称凭此实现了量子计算的优越性。然而，这一成果在 2023 年遇到中国科学家的有力挑战。中国研究人员发展了更加先进的经典算法，利用 A100 GPU 仅用约 17 秒便完成了同样的任务，推翻了谷歌当时关于量子优势的宣称。
2020 年，中国科学技术大学构建的“九章”光量子计算原型机利用光子路线首次严格证明了量子计算优越性。之后在 2021 年，超导体系首个被严格证明的量子计算优越性在“祖冲之二号”处理器上实现。至此，中国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。
达到“量子计算优越性”里程碑之后，当前量子计算研究的重点任务之一是突破量子纠错技术，为量子比特的大规模集成和操纵，进而构建容错通用量子计算机奠定基础。表面码是实现量子纠错大规模扩展最成熟的方案。
2022 年，中国科学家首先在“祖冲之二号”超导量子处理器上实现了码距为 3 的表面码量子纠错，首次验证了表面码方案的可行性。2023 年，谷歌实现了码距为 3 和 5 的表面码逻辑比特，首次展示了错误率随着码距的增加而下降。2024 年 12 月的最新工作中，谷歌利用“垂柳”处理器实现了码距为 3、5 和 7 的表面码逻辑比特，并更为显著地降低了逻辑比特的错误率，从原理上验证了表面码方案的扩展性，为集成和操纵大规模量子比特系统奠定了重要技术基础。
据介绍，“祖冲之三号”的量子比特数相比拥有 66 个量子比特的“祖冲之二号”提升至 105 个，从而使其计算能力在理论上有了显著的拓展，能够处理更为复杂的量子计算任务，为探索更大规模的量子算法和应用提供了可能。
同时，其保真度也实现了提升，“祖冲之二号”单量子比特门保真度约为 99.7%，“祖冲之三号”达到了 99.90%；“祖冲之二号”双量子比特门保真度约为 99.2%，“祖冲之三号”提升至 99.62%。
如图所示，“祖冲之三号”量子处理器由两个使用倒装芯片技术集成的蓝宝石芯片组成。其中一块芯片上集成了 105 个量子比特和 182 个耦合器，而另一块芯片上集成了所有控制线和读取谐振器。
据官方介绍，“祖冲之三号”量子处理器最重要的进步之一是提高了相干时间，成功将弛豫时间（T1）延长到 72μs，将退相位时间（T_2,CPMG）延长到 58μs。
此外，读取性能是祖冲之三号的另一项重大进步。为了实现高保真度的快速读取，研究人员将量子比特和读取谐振器之间的耦合强度提高到大约 130 MHz，并将读取谐振器的线宽调整到大约 10 MHz。
官方表示，在每次采样任务之前，研究人员会执行三轮测量，并施加相应的单量子比特门将量子比特重置为 | 0⟩态。这种方法减少了热噪声对态制备的影响，并缩短了每次采样的持续时间。经过这些优化后，83 个量子比特的平均读取错误率被抑制到 0.82%。
中国科学技术大学超导量子团队正在基于“祖冲之三号”处理器开展相关工作，计划在数月内实现码距为 7 的表面码逻辑比特，并进一步将码距扩展到 9 和 11，为实现大规模量子比特的集成和操纵铺平道路。
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