12 月 9 日，公司在《自然》發表了利用 105 位元超導量子處理器“垂柳（Willow）”實現了碼距最高為 7 的表面碼量子糾錯。
一週後的 12 月 17 日，中國科學技術大學潘建偉院士團隊在 arXiv 平臺上釋出我國研製的具備 105 個量子位元的超導量子計算機“祖沖之三號”的相關成果。
實驗資料顯示，“祖沖之三號”的效能優於谷歌上一代的“懸鈴木”（Sycamore，今年 10 月《自然》刊文結果中採用 72 個量子位元）6 個數量級，各項效能指標也與谷歌剛釋出的“垂柳”達到了同一量級，為目前超導量子計算的最強優越性。
“量子計算優越性”是指量子計算機需要在特定的問題求解上，表現出超越經典計算機的能力，從而解決連超級計算機都無法在短時間內解決的計算任務。量子優越性是量子計算具備應用價值的前提條件，也是當前一個國家量子計算研究實力的直接體現。
除了中國科學技術大學，刊文單位還包括合肥微尺度物質科學國家研究中心、中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院上海科學研究中心、合肥國家實驗室、國盾量子公司、河南省量子資訊與量子密碼重點實驗室、中國計量科學研究院、濟南量子技術研究院、西安電子科技大學、中國科學院理論物理研究所，這項成果由來自 9 家科研單位的 154 名科研人員共同完成，凸顯了合作的重要性。Dongxin Gao、Daojin Fan、Chen Zha 為論文共同第一作者，朱曉波教授、潘建偉院士為論文通訊作者。
▲ 谷歌懸鈴木及其同期的祖沖之二號，還有最新的祖沖之三號效能指標對比
2019 年，谷歌宣佈其 53 位元“懸鈴木”量子處理器在 200 秒內完成了一項隨機線路取樣任務，並聲稱憑此實現了量子計算的優越性。然而，這一成果在 2023 年遇到中國科學家的有力挑戰。中國研究人員發展了更加先進的經典演算法，利用 A100 GPU 僅用約 17 秒便完成了同樣的任務，推翻了谷歌當時關於量子優勢的宣稱。
2020 年，中國科學技術大學構建的“九章”光量子計算原型機利用光子路線首次嚴格證明了量子計算優越性。之後在 2021 年，超導體系首個被嚴格證明的量子計算優越性在“祖沖之二號”處理器上實現。至此，中國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。
達到“量子計算優越性”里程碑之後，當前量子計算研究的重點任務之一是突破量子糾錯技術，為量子位元的大規模整合和操縱，進而構建容錯通用量子計算機奠定基礎。表面碼是實現量子糾錯大規模擴充套件最成熟的方案。
2022 年，中國科學家首先在“祖沖之二號”超導量子處理器上實現了碼距為 3 的表面碼量子糾錯，首次驗證了表面碼方案的可行性。2023 年，谷歌實現了碼距為 3 和 5 的表面碼邏輯位元，首次展示了錯誤率隨著碼距的增加而下降。2024 年 12 月的最新工作中，谷歌利用“垂柳”處理器實現了碼距為 3、5 和 7 的表面碼邏輯位元，並更為顯著地降低了邏輯位元的錯誤率，從原理上驗證了表面碼方案的擴充套件性，為整合和操縱大規模量子位元系統奠定了重要技術基礎。
據介紹，“祖沖之三號”的量子位元數相比擁有 66 個量子位元的“祖沖之二號”提升至 105 個，從而使其計算能力在理論上有了顯著的拓展，能夠處理更為複雜的量子計算任務，為探索更大規模的量子演算法和應用提供了可能。
同時，其保真度也實現了提升，“祖沖之二號”單量子位元門保真度約為 99.7%，“祖沖之三號”達到了 99.90%；“祖沖之二號”雙量子位元門保真度約為 99.2%，“祖沖之三號”提升至 99.62%。
▲ “祖沖之三號”量子處理器。
如圖所示，“祖沖之三號”量子處理器由兩個使用倒裝晶片技術整合的藍寶石晶片組成。其中一塊晶片上集成了 105 個量子位元和 182 個耦合器，而另一塊晶片上集成了所有控制線和讀取諧振器。
據官方介紹，“祖沖之三號”量子處理器最重要的進步之一是提高了相干時間，成功將弛豫時間（T1）延長到 72μs，將退相位時間（T_2,CPMG）延長到 58μs。
此外，讀取效能是祖沖之三號的另一項重大進步。為了實現高保真度的快速讀取，研究人員將量子位元和讀取諧振器之間的耦合強度提高到大約 130 MHz，並將讀取諧振器的線寬調整到大約 10 MHz。
官方表示，在每次取樣任務之前，研究人員會執行三輪測量，並施加相應的單量子位元門將量子位元重置為 | 0⟩態。這種方法減少了熱噪聲對態製備的影響，並縮短了每次取樣的持續時間。經過這些最佳化後，83 個量子位元的平均讀取錯誤率被抑制到 0.82%。
中國科學技術大學超導量子團隊正在基於“祖沖之三號”處理器開展相關工作，計劃在數月內實現碼距為 7 的表面碼邏輯位元，並進一步將碼距擴充套件到 9 和 11，為實現大規模量子位元的整合和操縱鋪平道路。
來源：IT之家、arxiv
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