中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等，與上海量子科學(xué)研究中心、河南省量子信息與量子密碼重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院以及中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所等單位合作，成功構(gòu)建了105比特(包含105個(gè)可讀取比特和182個(gè)耦合比特)超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之三號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子隨機(jī)線路采樣”任務(wù)的快速求解。與現(xiàn)有最優(yōu)經(jīng)典算法相比，“祖沖之三號(hào)”處理量子隨機(jī)線路采樣問題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快15個(gè)數(shù)量級(jí)，超過谷歌2024年10月公開發(fā)表的最新成果6個(gè)數(shù)量級(jí)[Nature634,328(2024)]。這一成果是我國(guó)繼超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子計(jì)算體系最強(qiáng)量子計(jì)算優(yōu)越性[PRL127,180501(2021)，ScienceBulletin67,240(2022)]后，再一次打破超導(dǎo)體系量子計(jì)算優(yōu)越性紀(jì)錄。相關(guān)論文于北京時(shí)間3月3日以封面論文的形式發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

　　“量子計(jì)算優(yōu)越性”驗(yàn)證了量子計(jì)算系統(tǒng)能夠超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的可行性，是量子計(jì)算具備應(yīng)用價(jià)值的前提條件，也是當(dāng)前一個(gè)國(guó)家量子計(jì)算研究實(shí)力的直接體現(xiàn)。在這一方面，中美是目前國(guó)際第一方陣，呈現(xiàn)交替領(lǐng)先的態(tài)勢(shì)。

　　2019年，谷歌率先宣稱實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性。谷歌53比特“懸鈴木”處理器在200秒內(nèi)完成的隨機(jī)線路采樣任務(wù)，用當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬需要約一萬年。但在2023年，中國(guó)科大演示了更先進(jìn)的經(jīng)典算法，用1400余塊A100GPU僅需約14秒即可完成同樣的任務(wù);如果用“前沿”超算并配備更大的內(nèi)存，則預(yù)計(jì)只需1.6秒即可完成，因此谷歌當(dāng)時(shí)的“量子計(jì)算優(yōu)越性”宣稱已被中國(guó)科大推翻。

　　以最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性由中國(guó)科大于2020年在“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)上實(shí)現(xiàn);而超導(dǎo)體系首個(gè)被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性由本研究團(tuán)隊(duì)于2021年在“祖沖之二號(hào)”處理器上實(shí)現(xiàn)。2023年，中國(guó)科大研發(fā)的255光子“九章三號(hào)”量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算16個(gè)數(shù)量級(jí)。2024年10月，谷歌67比特超導(dǎo)量子處理器“懸鈴木”量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算9個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　研究團(tuán)隊(duì)在66比特“祖沖之二號(hào)”的基礎(chǔ)上，大幅提升了各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了105個(gè)數(shù)據(jù)比特、182個(gè)耦合比特的“祖沖之三號(hào)”，量子比特相干時(shí)間達(dá)到72μs，并行單比特門保真度達(dá)到99.90%，并行兩比特門保真度達(dá)到99.62%，并行讀取保真度達(dá)到99.13%，綜合性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。為測(cè)試其性能，團(tuán)隊(duì)在“祖沖之三號(hào)”系統(tǒng)上完成了83比特32層的隨機(jī)線路采樣，以目前最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算速度比最強(qiáng)超算快15個(gè)數(shù)量級(jí)，也超過去年十月谷歌公開發(fā)表的最新成果6個(gè)數(shù)量級(jí)，為目前超導(dǎo)體系最強(qiáng)量子計(jì)算優(yōu)越性。

　　量子優(yōu)越性是量子計(jì)算強(qiáng)大性能的綜合體現(xiàn)，是近期應(yīng)用探索和實(shí)現(xiàn)可拓展量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)。在“祖沖之三號(hào)”取得最強(qiáng)“量子計(jì)算優(yōu)越性”后，團(tuán)隊(duì)正繼續(xù)開展量子糾錯(cuò)、量子糾纏、量子模擬、量子化學(xué)等多方面探索。“祖沖之三號(hào)”采用二維網(wǎng)格比特排布芯片架構(gòu)，直接兼容易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化拓展的表面碼量子糾錯(cuò)算法，目前團(tuán)隊(duì)正基于“祖沖之三號(hào)”開展碼距為7的表面碼糾錯(cuò)研究，已取得良好進(jìn)展，并計(jì)劃進(jìn)一步將碼距擴(kuò)展到9和11，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

　　審稿人高度評(píng)價(jià)這一工作，認(rèn)為這一工作“構(gòu)建了目前最高水準(zhǔn)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)”(“benchmarkinganewsuperconductingquantumcomputer,whichshowsstate-of-the-artperformance”)，“是對(duì)此前66比特處理器(祖沖之二號(hào))的重大升級(jí)”(“asignificantupgradefromtheprevious66qubitdevice”)。鑒于該項(xiàng)研究工作的重要性，美國(guó)物理學(xué)會(huì)同期在《物理》(Physics)雜志上特別刊發(fā)觀點(diǎn)論文，深入解讀并重點(diǎn)介紹了該研究的創(chuàng)新之處與重要意義。

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院、安徽省、山東省以及上海市等的支持。

　　論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601

　　(微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)