近日，中国科学家在超导量子计算领域取得重大突破，成功构建出具有105个量子比特的“祖冲之三号”超导量子计算原型机，并通过随机线路采样（RCS）实验再次刷新量子计算优越性纪录，处理“量子随机线路采样”问题的速度比目前国际最快的超级计算机快千万亿倍。该成果以封面论文的形式正式发表于国际权威物理期刊《物理评论快报》（Physical Review Leters，简称PRL）。

快千万亿倍是多快？量子计算优越性又是什么意思？“祖冲之三号”这次进展究竟意味着什么？我们离用上量子计算机还有多远？接下来让我们来一探究竟。

1.“祖冲之三号”这次突破究竟有多大？

量子具有叠加态，这意味着每个量子比特都可以同时编码2个状态。当量子比特的数量不断增加时，量子系统能够编码的状态数量会呈现出指数级的爆炸式增长。

如果我们把量子处理器比作一个超级大脑的话，那么量子比特就相当于大脑中的神经元。神经元的数量越多，大脑处理的信息就越复杂、越庞大，也就意味着它能够解决更困难的问题。

“祖冲之三号”芯片示意图。

图片来源：中国科学技术大学

“祖冲之三号”拥有105个量子比特，能够编码2的105次方个状态，相比它的前一代——拥有66个量子比特的“祖冲之二号”，二者的编码状态空间大小就相差了约5千亿倍。当然，这仅仅是编码空间的差距，在衡量实际计算能力的差距时还需考虑量子门操作和读取的保真度。

“保真度”是量子计算中非常重要的概念，简单来说，保真度就像是量子操作的“精准度”，用来衡量实际操作和理想操作之间的相似程度。保真度越高，说明实际量子操作越接近理想状态，误差就越小。

“祖冲之三号”量子计算机在三个关键指标上取得了很高的保真度：并行单比特门保真度达到99.90%、并行两比特门保真度达到99.62%、并行读取保真度达到99.13%。这些高保真度的实现，就像是给量子计算机装上了高精度的“眼睛”和“手”，让它能够更准确地执行复杂的量子算法。

所以，“祖冲之三号”的成功构建，一方面极大地提高了量子计算机计算能力的上限，使其能够处理更加复杂的问题；另一方面，也为量子纠错提供了更多的资源，有望实现码距更高的表面码逻辑比特，从而降低量子计算的错误率，推动量子计算机从实验室走向实际应用。

2.科学家们追求的量子计算优越性，究竟意味着什么？

在提到量子计算以及量子计算优越性时，绕不开一个词：量子随机线路采样（RCS）。它是目前衡量量子计算机性能的重要标准。

在经典计算机的计算过程中，通常是先将待处理的数据输入系统，然后依据特定算法执行一系列的逻辑门操作，这些操作完成后，得到的处理后数据就是计算结果。量子计算机的计算过程与之类似。

而量子随机线路采样，就是先将量子信息导入，接着运行一系列的量子逻辑门操作，最后对最终的量子态计算结果进行取样。量子随机线路取样任务中的随机性主要体现在科学家们会随机选取多种量子逻辑门操作，从而获得多种随机的量子态计算结果。而通过对这些计算结果进行统计分析，可以得到量子计算机在多种情况下的计算结果的准确程度，进而全面评估量子计算机的整体性能。

因此，可以说，在实现量子随机线路采样上表现越好，量子计算机的性能越强。而当量子计算机在某些特定问题上的计算能力能够超越最强的经典计算机时，我们就把它称为量子计算优越性。

“量子计算优越性”的研究具有里程碑意义，它不仅验证了量子力学原理在计算领域的可行性与潜力，为量子计算理论发展提供了实验支撑，展示了量子计算机真正地提供超越经典计算机算力的能力，推动了第二次量子革命的进展，也为量子计算机向着终极目标——实现可容错的通用量子计算机——奠定了坚实的基础。

3.我们离用上量子计算机还有多远？

“祖冲之三号”超导量子计算原型机实现了目前超导体系最强量子计算优越性，那是不是意味着我们就快用上量子计算机了呢？

如今，随着人工智能、气候模拟等领域的复杂度飙升，受限于晶体管逼近物理极限，摩尔定律逐渐失效，我们使用的经典计算机已难以满足指数级增长的计算需求。于是，人们寄希望于量子计算机，希望量子计算机能够早日实现应用，帮助我们解决算力提升的问题。

然而，要实现量子计算机的实用化，并不是一蹴而就的事情。

目前，科学家们把量子计算的发展整体分为三个阶段：

第一阶段：实现量子计算优越性，相干操纵50多个量子比特，对特定问题的计算能力超越最快的超级计算机。

第二阶段：实现专用量子模拟机，相干操纵数百至上千个量子比特，用于解决经典计算机无法胜任的诸如量子化学、高温超导机理、拓扑物态等重要科学问题。

第三阶段：实现通用容错量子计算机，在量子纠错的辅助下相干操纵至少上百万量子比特，用于解决经典密码破解、人工智能、材料设计、生物制药等领域的计算难题。

想要达到量子计算机发展的第三个阶段——通用可容错的量子计算机，实现量子计算的全面实用化，需要借助量子纠错算法来降低逻辑比特的错误率。目前，科学家们预计，需要大约 10-15 年左右的时间，能够构建起拥有数千逻辑比特且逻辑错误率控制在 1e-10 量级的量子计算原型机。

审核：查辰，中国科学技术大学上海研究院博士后，论文第一作者

策划：史文慧、阎冬

出品：科普中国