緊隨谷歌腳步！中國團隊發佈量子計算機祖沖之三號，性能遠超傳統超算

2024年12月17日，中國科研團隊在量子計算領域取得重大進展，中國科技大學潘建偉、朱曉波團隊在預印本平台arXiv上傳論文，發佈了我國自主研發的具有105個量子比特的超導量子計算機“祖沖之三號”。

這篇論文的標題為《使用105量子比特“祖沖之三號”處理器建立量子計算優勢的新基準測試》（Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor），朱曉波、潘建偉為論文通訊作者。中國科學技術大學、合肥微尺度物質科學國家研究中心、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院上海科學研究中心等共9家科研機構的共154名科研人員參與了本次研究。

使用105量子比特“祖沖之三號”處理器建立量子計算優勢的新基準測試

據論文介紹，相比於“祖沖之二號”，“祖沖之三號”有了重大的改進，這種改進主要提升在量子比特（qubits）的數量和質量兩個方面。

量子比特是量子計算的核心要素，其數量和質量直接影響量子處理器的計算能力和性能，祖沖之三號”的量子比特數相比擁有66個量子比特的“祖沖之二號”提升至105個，同時具有極高的保真度操控能力，可以處理更復雜的量子計算任務。相比於“祖沖之二號”，“祖沖之三號”的單量子比特門保真度由99.7%提升至99.90%，雙量子比特門保真度由99.2%提升至99.62%，讀取保真度由98.1%提升至99.18%。

更多的量子比特數量使得能夠處理更復雜的量子信息和執行更復雜的量子算法，而高精度的操作能保證計算結果的可靠性，兩者結合起來就能讓量子計算在處理各類任務時更具優勢，從而不斷拓展其能力邊界。

祖沖之三號

研究團隊在該處理器上進行隨機量子電路採樣實驗，採用了 83 個量子比特、32次循環的隨機線路採樣實驗，該任務規模比谷歌之前所實現隨機電路採樣規模更大。祖沖之三號僅用幾百秒就採集到了上百萬個樣本，而同樣的任務在當今最先進的超級計算機Frontier上則需要6.4X10^9年。

論文中給出了兩種不同的場景來進行計算成本估計。一種場景是以Frontier超級計算機實際的內存量 9.2 PB（1PB = 1024TB，是衡量計算機存儲容量的單位）為基礎進行考慮。另一種場景則是把Frontier的實際內存和它所有的存儲容量加起來，得到762.2PB來進行估算，不過後者在實際中並不現實，因為通常很難將所有存儲都完全當作內存來使用，會受到計算機架構、數據管理等諸多因素限制。無論在哪種情況中，祖沖之三號都展現出了遠超傳統超算的實力。

該研究進一步凸顯了量子計算機在處理特定複雜任務時的高效性和獨特優勢，目前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的表面碼邏輯比特，並進一步將碼距擴展到9和11，為實現大規模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

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