中国科大实现超导体系“量子计算优越性”新纪录

　　中国迷信技能年夜学潘建伟、朱晓波、彭承志等，与上海量子迷信研究中间、河南省量子信息与量子暗码重点试验室、中国计量迷信研究院、济南量子技能研究院、西安电子科技年夜学微电子学院和中国迷信院实践物理研究所等单元互助，胜利构建了105比特（包括105个可读取比特以及182个耦合比特）超导量子计较原型机“祖冲之三号”，完成了对“量子随机路线采样”使命的疾速求解。与现有最优经典算法相比，“祖冲之三号”处置惩罚量子随机路线采样问题的速率比今朝最快的超等计较机快15个数目级，凌驾google2024年10月公然颁发的最新结果6个数目级[Nature 634, 328 (2024)]。这一结果是我国继超导量子计较原型机“祖冲之二号”完成超导量子计较系统最强量子计较优胜性 [PRL 127, 180501 (2021), Science Bulletin 67, 240 (2022)]后，再一次打破超导系统量子计较优胜性纪录。相干论文于北京时间3月3日以封面论文的情势颁发正在国际学术期刊《物理评论快报》上。

图：祖冲之三号芯片示用意。105个可读取比特以及182个耦合比特集成正在统一个芯片上履行量子随机路线采样使命

　　“量子计较优胜性”验证了量子计较体系可以或许超出传统超等计较机的可行性，是量子计较具有使用价值的条件前提，也是以后一个国度量子计较研究实力的间接体现。正在这一方面，中美是今朝国际第一方阵，浮现瓜代当先的态势。

　　2019年，google率先传播鼓吹完成量子计较优胜性。google53比特“悬铃木”处置惩罚器正在200秒内实现的随机路线采样使命，用其时最快的超等计较机举行摹拟需求约一万年。但正在2023年，中国科年夜演示了更进步前辈的经典算法，用1400余块A100 GPU仅需约14秒便可实现一样的使命；要是用“前沿”超算并装备更年夜的内存，则估计只要1.6秒便可实现，是以google其时的“量子计较优胜性”传播鼓吹已被中国科年夜推翻。

　　以最优经典算法为比拟尺度，国际上首个被严酷证实的量子计较优胜性由中国科年夜于2020年正在“九章”光量子计较原型机上完成；而超导系统首个被严酷证实的量子计较优胜性由本研究团队于2021年正在“祖冲之二号”处置惩罚器上完成。2023年，中国科年夜研发的255光子“九章三号”量子优胜性超出经典超算16个数目级。2024年10月，google67比特超导量子处置惩罚器“悬铃木”量子优胜性超出经典超算9个数目级。

　　研究团队正在66比特“祖冲之二号”的根蒂根基上，年夜幅晋升了各项要害机能指标，完成了105个数据比特、182个耦合比特的“祖冲之三号”，量子比特相关时间到达72μs，并行单比特门保真度到达99.90%，并行两比特门保真度到达99.62%，并行读取保真度到达99.13%，综合机能到达国际当先程度。为测试其机能，团队正在“祖冲之三号”体系上实现了83 比特 32 层的随机路线采样，以今朝最优经典算法为比拟尺度，计较速率比最强超算快15个数目级，也凌驾去年十月google公然颁发的最新结果6个数目级，为今朝超导系统最强量子计较优胜性。

　　量子优胜性是量子计较壮大机能的综合体现，是近期使用摸索以及完成可拓展量子纠错的根蒂根基。正在“祖冲之三号”取患上最强“量子计较优胜性”后，团队正接续开展量子纠错、量子纠缠、量子摹拟、量子化学等多方面摸索。“祖冲之三号”采纳二维网格比特排布芯片架构，间接兼容易于完成范围化拓展的名义码量子纠错算法，今朝团队正基于“祖冲之三号”开展码距为7的名义码纠错研究，已取患上杰出进展，并规划进一步将码距扩大到9以及11，为完成年夜范围量子比特的集成以及把持摊平门路。

　　审稿人高度评估这一事情，以为这一事情“构建了今朝最高水准的超导量子计较机”(“benchmarking a new superconducting quantum computer, which shows state-of-the-art performance”)，“是对此前66比特处置惩罚器（祖冲之二号）的重年夜进级”(“a significant upgrade from the previous 66 qubit device”)。鉴于该项研究事情的重要性，美国物理学会同期正在《物理》（Physics）杂志上出格刊发概念论文，深切解读偏重点先容了该研究的立异的地方与重要意思。

　　研究事情获得国度天然迷信基金委员会、迷信技能部、中国迷信院、安徽省、山东省和上海市等的撑持。

　　论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601