2024年12月17日，中國科研團隊在量子計算領(lǐng)域取得重大進展，中國科技大學(xué)潘建偉、朱曉波團隊在預(yù)印本平臺arXiv上傳論文，發(fā)布了我國自主研發(fā)的具有105個量子比特的超導(dǎo)量子計算機“祖沖之三號”。

這篇論文的標(biāo)題為《使用105量子比特“祖沖之三號”處理器建立量子計算優(yōu)勢的新基準(zhǔn)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(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院上?？茖W(xué)研究中心等共9家科研機構(gòu)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(yōu)勢的新基準(zhǔn)測試

據(jù)論文介紹，相比于“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(shù)量和質(zhì)量兩個方面。

量子比特是量子計算的核心要素，其數(shù)量和質(zhì)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(shù)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(fù)雜的量子計算任務(wù)。相比于“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(shù)量使得能夠處理更復(fù)雜的量子信息和執(zhí)行更復(fù)雜的量子算法，而高精度的操作能保證計算結(jié)果的可靠性，兩者結(jié)合起來就能讓量子計算在處理各類任務(wù)時更具優(yōu)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采樣實驗，采用了 83 個量子比特、32次循環(huán)的隨機線路采樣實驗，該任務(wù)規(guī)模比谷歌之前所實現(xiàn)隨機電路采樣規(guī)模更大。祖沖之三號僅用幾百秒就采集到了上百萬個樣本，而同樣的任務(wù)在當(dāng)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(nèi)存量 9.2 PB（1PB = 1024TB，是衡量計算機存儲容量的單位）為基礎(chǔ)進行考慮。另一種場景則是把Frontier的實際內(nèi)存和它所有的存儲容量加起來，得到762.2PB來進行估算，不過后者在實際中并不現(xiàn)實，因為通常很難將所有存儲都完全當(dāng)作內(nèi)存來使用，會受到計算機架構(gòu)、數(shù)據(jù)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(xiàn)出了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)超算的實力。

該研究進一步凸顯了量子計算機在處理特定復(fù)雜任務(wù)時的高效性和獨特優(yōu)勢，目前中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子團隊正在基于“祖沖之三號”處理器開展相關(guān)工作，計劃在數(shù)月內(nèi)實現(xiàn)碼距為7的表面碼邏輯比特，并進一步將碼距擴展到9和11，為實現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

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