祖沖之三號，確立了什麼新標杆？ | 袁嵐峯_風聞

導語

2024年，谷歌把懸鈴木升級後，再次反超了經典計算機。現在的最新進展，就是祖沖之三號又超越了升級的懸鈴木。回頭看看論文的標題，《用105量子比特的祖沖之三號處理器確立量子計算優越性的新標杆》，現在你明白它的意義了吧？

2025年3月3日有個大新聞，“祖沖之三號”量子計算機以封面論文的形式發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601），再次刷新量子優越性紀錄。實際上，這論文的標題就是《用105量子比特的祖沖之三號處理器確立量子計算優越性的新標杆》（Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor）。這個新聞是什麼意思呢？

首先，最容易理解的是，這是祖沖之系列的升級。我的同事和朋友、中國科學技術大學潘建偉院士、朱曉波教授等人在2021年5月發表了祖沖之號，2021年10月發表了祖沖之二號，現在升級到三號了。

然後，祖沖之系列是什麼？它是超導量子計算機。

量子計算有多種技術路線，包括超導、光學、離子阱、冷原子等等。這就好比經典計算機可以用晶體管實現，也可以用電子管實現，甚至可以用算盤實現。超導、光學、離子阱、冷原子等等，就是實現量子計算的多種物理體系。不過跟經典計算機不同的是，量子計算機的技術路線還沒有收斂。也就是説，我們還不清楚哪種物理體系最好，或者是否存在一個最好的物理體系。所以目前每條技術路線都有很多人在研究，而超導是其中相對比較主流的一種。

大家可能還聽説過潘建偉團隊的另一個系列量子計算機，九章、九章二號、九章三號，它們用的是光學。在光學路線上，九章三號是目前全世界最先進的。而在超導路線上，祖沖之三號是目前全世界最先進的。

然後，量子計算是什麼？這個問題解釋起來可就複雜了，至少需要一本書，例如我的《量子信息簡話》。非常簡單地解釋一下，量子計算是一種跟現在的電子計算機完全不同的新的計算模式，它利用的是量子力學（quantum mechanics）的特性，如疊加、測量、糾纏。

經典計算機的基本操作單元是比特（bit），即一個體繫有且只有兩個狀態。而量子計算機的基本操作單元是量子比特（qubit），即一個體系不僅有兩個狀態，而且可以處於這兩個狀態的任意疊加態。一個比特只有兩個狀態，一個量子比特卻有無窮多個狀態。因此，量子計算機有潛力做到經典計算機做不到的事。

這裏的一個關鍵是“潛力”。實際上，量子計算機並不是幹什麼都比經典計算機快，而是隻對某些特定的任務比經典計算機快。也就是説，量子計算機優於經典計算機，並不是像486比386快、386比286快那樣全面超越，而是依賴於任務的。如果瞭解這一點，你就超過了90%的人。

在這些特定的任務中有一些具有重大的應用價值，例如因數分解（factorization）。能快速執行因數分解，就能破解很多密碼。然而目前這只是理論，因為量子計算機的硬件還不夠好，只能分解一些很小的數，還遠不能破解實用的密碼。

不過，科學家們發揮聰明才智，確實找到了一些任務，它們現在就能在量子計算機這不夠好的硬件上快速執行。快到什麼程度呢？比當前最快的經典計算機還快，這就叫做實現量子優越性（quantum advantage）。如果瞭解這一點，你就超過了99%的人。

祖沖之三號做的隨機線路取樣（random circuit sampling），就是這樣的一個問題。祖沖之三號取樣一百萬次只需要幾百秒，而目前最快的經典計算機即美國的超級計算機“前沿”（Frontier）做同樣的事需要幾十億年。這就是量子優越性的威力。

然而，隨機線路取樣是一個人為設計的、很特別的數學問題，設計它的目的就是實現量子優越性，完全沒考慮實用價值。那麼它現在有沒有實用價值呢？還沒找到。

因此，量子計算雖然已經實現了巨大的進步，但目前還沒有一台量子計算機是有實用價值的。如果有哪個企業向你宣傳他們的量子計算機已經多麼多麼有用了，那麼你立刻就可以知道他們是在炒作。如果瞭解這一點，你就超過了99.9%的人。

也許這會讓你很沮喪，原來量子計算機還沒有實用價值啊！那這個所謂超越經典計算機多少億倍，有什麼用？回答是，這是未來進步的基礎，可以理解為“跑分”（量子計算優越性再升級：祖沖之三號如何超越經典極限？）。

實際上，在刷新紀錄的背後，是硬件軟件許多方面的進步。例如祖沖之三號的單量子比特門、雙量子比特門和讀出的保真度分別是99.90%、99.62%和99.13%，換言之就是錯誤率在千分之一的量級，這才是它成功的基礎。作為對比，有許多機構的宣傳只是説自己的量子計算機有多少多少量子比特，好像這就意味着它的能力強大似的。但內行知道，量子比特數和操作精度必須同步提高，否則再多的量子比特也沒有用處。

我們前邊説的因數分解等有實用價值的數學問題，之所以目前的量子計算機還處理不了，正是因為對量子比特的操作精度還不夠高。要高到什麼程度才行呢？回答是一萬億次操作才錯一次。明白這個差距了吧？

因此，用隨機線路取樣等問題實現量子優越性，並不是作秀，而是實實在在的檢驗。它是一個准入門檻。如果你能實現量子優越性，那麼你就有希望繼續發展，最終實現真正有實用價值的量子計算機。而如果你連量子優越性都實現不了，那自然其他的都無從談起。有些機構經常鼓吹他們的量子計算機有多麼先進，卻不提他們能否實現量子優越性，那麼你一眼就可以看出他們的水平了。

最後，我們來稍微介紹一下超導量子計算機的國際對比。最先實現量子優越性的，是美國谷歌團隊2019年發佈的“懸鈴木”（Sycamore）。然後，中國2021年的祖沖之二號超越了它。更有趣的是，中國科學家改進經典算法後，用經典計算機反超了懸鈴木（https://academic.oup.com/nsr/article/12/3/nwae317/7756427）。

2024年，谷歌把懸鈴木升級後，再次反超了經典計算機。現在的最新進展，就是祖沖之三號又超越了升級的懸鈴木。回頭看看論文的標題，《用105量子比特的祖沖之三號處理器確立量子計算優越性的新標杆》，現在你明白它的意義了吧？

你可能還記得，2024年12月，谷歌發佈了另外一台超導量子計算機，叫做“柳樹”（Willow），當時引起了巨大的轟動。它跟祖沖之三號是什麼關係呢？有趣的是，祖沖之三號的論文並沒有提到柳樹。因為柳樹的論文還沒有發表，一切數據都來自谷歌的發佈會（https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip），所以學術界還沒有承認它。

如果谷歌關於柳樹的報道都正確，那麼它在量子優越性方面跟祖沖之三號相當，在糾錯方面領先祖沖之三號幾個月。當時我也解讀過柳樹（谷歌量子計算機Willow做了什麼？大多數媒體都沒説到點子上 | 袁嵐峯），歡迎大家去看。

作為遠景，將來我們有希望用量子計算解決很多問題，如藥物研發、天氣預報。在這條漫長而偉大的道路上，祖沖之三號是一個重要的里程碑。