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“祖冲之三号”量子处理器示意图

来源：中国科大团队发布于预印本平台arXiv的论文

2024年最后(hòu)一(yī)个(gè)月(yuè)，谷歌和中国科学技术大学先后发布105比特的超导量子芯片，再度点燃了产业界对量子计算的热情。

谷歌团队基于量子处理器Willow，破解了困扰量子纠错领域近30年的关键问题，使量子纠错能够随着量子比特数的增加“越纠越对”，还在5分(fēn)钟(zhōng)内(nèi)完(wán)成(chéng)了当前最强大的超级计算机之一需要10的25次方年（比宇宙年龄还长）才能完成的计算任务(详见《马斯克、奥特曼点赞，谷歌量子芯片有多强？》)。

中国科大团队基于量子处理器“祖冲之三号”， 实现了比谷歌（SYC-67和SYC-70实验）更大规模的随机电路采样，经典模拟成本（经典计算机模拟该任务的成本）提升了6个数量级，树立了量子计算优势的新基准。

在电路规模、纠错效率、保真度、相干时间、处理能力上，量子芯片都取得了新的进展。

更大规模的量子电路

基于“祖冲之三号”量子处理器，中国科大团队实现了比谷歌上一代量子处理器“悬铃木”更大规模的随机电路采样，推高了当前量子硬件功(gōng)能(néng)的(de)上(shàng)限。

在基于“祖冲之三号”的随机电路采样实验中，中国科大团队构建了32次循环、83个量子比特的随机量子电路。此前，最大规模的随机量子电路由谷歌基于“悬铃木”处理器实现，包括32次循环、67 个量子比特的SYC-67实验和24次循环、70 个量子比特的SYC-70实验。

除了使用更多量子比特，中国科大团队的随机量子电路还追平了谷歌的循环数。循环数指线路深度，每一个循环包含单量子比特门和双量子比特门各一层。循环次数的增加，意味着能够实现更大的量子电路体积。

量子纠错新突破

由于量子比特容易受到环境中的噪声和干扰，变得不稳定，远高于经典计算的错误率就成为量子计算的一大挑战。1995年，麻省理工学院应用数学教授彼得·肖尔（Peter Shor）提出量子纠错理论，将多个物理量子比特编码为逻辑量子比特，基于两者的映射关系来检测并纠(jiū)正(zhèng)错(cuò)误(wù)。

在(zài)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)的(de)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，增(zēng)加(jiā)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)数(shù)量(liàng)能(néng)够(gòu)提(tí)升(shēng)对(duì)物(wù)理(lǐ)错(cuò)误(wù)的(de)抑(yì)制(zhì)能(néng)力(lì)，但也会导致错误的增加。因而，错误必须足(zú)够(gòu)稀(xī)疏(shū)，才(cái)能(néng)使(shǐ)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)逻(luó)辑(ji)性(xìng)(xìng)能(néng)(néng)随(suí)(suí)着(zhe)(zhe)编(biān)(biān)码(mǎ)(mǎ)规(guī)(guī)模(mó)(mó)的(de)(de)扩(kuò)(kuò)大(dà)而(ér)增(zēng)强(qiáng)。

2024年(nián)12月(yuè)，谷(gǔ)歌(gē)量(liàng)子(zi)AI团(tuán)队(duì)发(fā)布(bù)了(le)一(yī)项(xiàng)基(jī)于(yú)Willow的(de)突(tū)破(pò)性(xìng)进(jìn)展(zhǎn)：随(suí)着(zhe)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)数(shù)量(liàng)的(de)增(zēng)加(jiā)，错(cuò)误(wù)率(lǜ)降(jiàng)低(dī)，使(shǐ)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)“越(yuè)纠(jiū)越(yuè)对(duì)”。

在(zài)基(jī)于(yú)Willow的(de)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)实(shí)验(yàn)中(zhōng)，逻(luó)辑(ji)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)比(bǐ)(bǐ)特(tè)(tè)以(yǐ)(yǐ)低(dī)(dī)于(yú)(yú)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)纠(jiū)(jiū)错(cuò)(cuò)阈(yù)值(zhí)的(de)错(cuò)误(wù)率(lǜ)运(yùn)行(xíng)。谷(gǔ)歌(gē)团(tuán)队(duì)测(cè)试(shì)了(le)表(biǎo)面(miàn)码(mǎ)(mǎ)码(mǎ)(mǎ)距(jù)(jù)为(wèi)(wèi)3、5和(hé)(hé)7的(de)(de)物(wù)(wù)理(lǐ)(lǐ)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)比(bǐ)(bǐ)特(tè)(tè)阵(zhèn)(zhèn)列(liè)(liè)，错(cuò)(cuò)误(wù)(wù)率(lǜ)(lǜ)随(suí)(suí)着(zhe)(zhe)码(mǎ)(mǎ)距(jù)(jù)增(zēng)(zēng)加(jiā)(jiā)依(yī)(yī)次(cì)(cì)减(jiǎn)(jiǎn)半(bàn)(bàn)。

国(guó)(guó)盾(dùn)(dùn)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)云(yún)(yún)平(píng)(píng)台(tái)(tái)负(fù)(fù)责(zé)(zé)人(rén)(rén)储(chǔ)(chǔ)文皓(hào)(hào)向(xiàng)(xiàng)《中(zhōng)(zhōng)国(guó)(guó)电(diàn)(diàn)子(zi)(zi)报(bào)(bào)》记(jì)(jì)者(zhě)(zhě)表(biǎo)(biǎo)示(shì)(shì)，低(dī)(dī)于(yú)(yú)阈(yù)(yù)值(zhí)(zhí)的(de)(de)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)纠(jiū)(jiū)错(cuò)(cuò)，为(wèi)(wèi)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)计(jì)(jì)算(suàn)(suàn)芯(xīn)(xīn)片(piàn)(piàn)的(de)(de)Scaling Law（缩(suō)(suō)放(fàng)(fàng)定(dìng)(dìng)律(lǜ)(lǜ)）奠(diàn)(diàn)定(dìng)(dìng)了(le)(le)(le)基(jī)(jī)(jī)础(chǔ)(chǔ)(chǔ)，只(zhǐ)(zhǐ)(zhǐ)要(yào)(yào)(yào)产(chǎn)(chǎn)业(yè)(yè)界(jiè)(jiè)能(néng)(néng)通(tōng)(tōng)过(guò)(guò)工(gōng)(gōng)艺(yì)(yì)技(jì)(jì)术(shù)(shù)集成(chéng)(chéng)更(gèng)(gèng)多(duō)(duō)的(de)(de)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)比(bǐ)(bǐ)特(tè)(tè)，并(bìng)(bìng)提(tí)(tí)升(shēng)(shēng)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)计(jì)(jì)算(suàn)(suàn)机(jī)整(zhěng)机(jī)的(de)工(gōng)程(chéng)化(huà)规(guī)模(mó)，就(jiù)能(néng)够(gòu)实(shí)现(xiàn)码(mǎ)距(jù)为(wèi)9、码(mǎ)距(jù)为(wèi)11，甚(shén)至(zhì)码(mǎ)距(jù)为(wèi)2n+1的(de)大(dà)规(guī)模(mó)纠(jiū)错(cuò)结(jié)构(gòu)，且(qiě)纠(jiū)错(cuò)效(xiào)率(lǜ)、保(bǎo)真(zhēn)度(dù)以(yǐ)及(jí)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)寿(shòu)命(mìng)都(dōu)将(jiāng)随(suí)之(zhī)提(tí)升(shēng)。

正(zhèng)确(què)率(lǜ)提(tí)升(shēng)

在(zài)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)测(cè)试(shì)中(zhōng)，祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)和(hé)Willow都(dōu)实(shí)现(xiàn)了(le)高(gāo)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)。

祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)单(dān)比(bǐ)特(tè)门(mén)、双(shuāng)比(bǐ)特(tè)门(mén)和(hé)读(dú)出(chū)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)分(fēn)别(bié)为(wèi) 99.90%、99.62% 和(hé) 99.18%。

在(zài)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)测(cè)试(shì)中(zhōng)，谷(gǔ)歌(gē)Willow单(dān)比(bǐ)特(tè)门(mén)、双(shuāng)比(bǐ)特(tè)门(mén)、读(dú)取(qǔ)错(cuò)误(wù)率(lǜ)的(de)中(zhōng)位(wèi)数(shù)分(fēn)别(bié)为(wèi)0.035%、0.33%和(hé)0.77%，也(yě)就(jiù)是(shì)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)中(zhōng)位(wèi)数(shù)分(fēn)别(bié)为(wèi)99.97%、99.67%和(hé)99.23%；在(zài)RCS基(jī)准(zhǔn)测(cè)试(shì)中(zhōng)的(de)单(dān)比(bǐ)特(tè)门(mén)、双(shuāng)比(bǐ)特(tè)门(mén)、读(dú)取(qǔ)错(cuò)误(wù)率(lǜ)中(zhōng)位(wèi)数(shù)分(fēn)别(bié)为(wèi)0.036%、0.14%和(hé)0.67%，也(yě)就(jiù)是(shì)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)中(zhōng)位(wèi)数(shù)分(fēn)别(bié)为(wèi)99.96%、99.86%和(hé)99.33%。

据(jù)储(chǔ)文皓(hào)介(jiè)(jiè)绍(shào)(shào)，量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)保(bǎo)(bǎo)真(zhēn)(zhēn)度(dù)(dù)分(fēn)(fēn)为(wèi)(wèi)读(dú)(dú)取(qǔ)(qǔ)保(bǎo)(bǎo)真(zhēn)(zhēn)度(dù)(dù)、单(dān)(dān)比(bǐ)(bǐ)特(tè)(tè)门(mén)(mén)保(bǎo)(bǎo)真(zhēn)(zhēn)度(dù)(dù)、双(shuāng)(shuāng)比(bǐ)(bǐ)特(tè)(tè)门(mén)(mén)保(bǎo)(bǎo)真(zhēn)(zhēn)度(dù)(dù)，指(zhǐ)(zhǐ)代(dài)(dài)的(de)(de)是(shì)(shì)在(zài)(zài)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)计(jì)(jì)算(suàn)(suàn)中(zhōng)(zhōng)，对(duì)(duì)于(yú)(yú)单(dān)(dān)个(gè)(gè)或(huò)(huò)多(duō)(duō)个(gè)(gè)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)比(bǐ)(bǐ)特(tè)(tè)进(jìn)(jìn)行(xíng)(xíng)同(tóng)(tóng)时(shí)(shí)操(cāo)(cāo)作(zuò)(zuò)以(yǐ)(yǐ)及(jí)(jí)整(zhěng)(zhěng)体(tǐ)(tǐ)读(dú)(dú)取(qǔ)(qǔ)时(shí)(shí)的(de)(de)正(zhèng)(zhèng)确(què)(què)率(lǜ)(lǜ)。保(bǎo)(bǎo)真(zhēn)(zhēn)度(dù)(dù)越(yuè)(yuè)高(gāo)(gāo)，对(duì)(duì)量(liàng)(liàng)子(zi)(zi)比(bǐ)(bǐ)特(tè)(tè)的(de)(de)操(cāo)(cāo)控(kòng)(kòng)和(hé)(hé)读(dú)(dú)取(qǔ)(qǔ)就(jiù)(jiù)越(yuè)(yuè)准(zhǔn)(zhǔn)确(què)。

相干时间延长

另一个重要进展是相干时间的延长。祖冲之三号的能量弛豫时间（T1）和相位弛豫时间（T2）分别提升至72µs和58µs。Willow的T1时间提升至100µs，是上一代悬铃木处理器的5倍。

相干时间是比特能够维持量子状态的时间，相干时间结束后，量子比特会坍缩，无法再执行计算。更长的相干时间意味着量子能够维持更长时间的叠加态，完成更多计算。

据国仪量子介绍，T1时间和T2时间是相干时间的两个主要参数。T1时间是量子比特从高能(néng)态(tài)（激(jī)发(fā)态(tài)）返(fǎn)回(huí)到(dào)低(dī)能(néng)态(tài)的(de)时(shí)间(jiān)，类(lèi)比(bǐ)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算(suàn)就(jiù)是(shì)经(jīng)典(diǎn)比(bǐ)特(tè)从(cóng)1变回0的时间；T2时间是量子比特在叠加态中保持相位信息的时间，T2时间结束后，量子比特会丢失所携带的信息。较长的T1和T2时间，使量子比特可(kě)以(yǐ)在(zài)较(jiào)长(zhǎng)时(shí)间(jiān)内(nèi)保(bǎo)持(chí)稳(wěn)定(dìng)的(de)状(zhuàng)态(tài)，从(cóng)而(ér)提(tí)高(gāo)计(jì)算(suàn)的(de)准(zhǔn)确(què)性(xìng)和(hé)可(kě)靠(kào)性(xìng)。

更(gèng)强(qiáng)的(de)处(chù)(chù)理(lǐ)(lǐ)能(néng)(néng)力(lì)

基(jī)于(yú)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)规(guī)模(mó)的(de)增(zēng)加(jiā)、操(cāo)作(zuò)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)的(de)提(tí)升(shēng)、相(xiāng)干(gàn)时(shí)间(jiān)的(de)延(yán)长(zhǎng)以(yǐ)及(jí)工(gōng)艺(yì)技(jì)术(shù)的(de)改(gǎi)善(shàn)，Willow和(hé)祖(zǔ)冲(chōng)之三号在随机电路采样（RCS）基准测试中，都展现出较上一代量子处理器的更好成绩，进一步展现了量子计算优越性。

Willow在5分钟内，完成了当前最强大的超级计算机需要10的25次方年（比宇宙年龄还长）才能完成的计算任务。

祖冲之三号在几百秒内实现了对100 万个样本的采样，同等任务需要经典超级计算机Frontier大约 6.4×10的9次方年才能复制，经典模拟成本（经典计算机模拟该任务的成本）较谷歌的 SYC-67 和 SYC-70 实验提升了6个数量级，树立了量子计算优势的新基准。

2025年被寄予厚望

2025年，被联合国定为“量子科学与技术之年”。产业界有望在2025年看到更大量子比特规模的量子处理器及其工程化集成系统。按照量子计算路线图，谷歌将在2025年之后实现其“6个里程碑”的第3个，即构建1000物理量子比特的量子计算机(jī)，并(bìng)编(biān)码(mǎ)一(yī)个(gè)长寿命的逻辑量子比特。IBM将在2025年发布包含1386量子比特、具有量子通信链路的多芯片处理器“Kookaburra”。作为演示，IBM会将(jiāng)三个Kookaburra芯片接入一个包含4158量子比特的系统中。

谷歌量子计算路线图

（原图来自谷歌，中国电子报译）

在谷歌围绕“具备纠错能力的实用量子计算机”设计的路线图中，每一个里程碑的实现，都会将物理量子比特的(de)数(shù)量(liàng)提(tí)升(shēng)10倍(bèi)。如(rú)果(guǒ)芯片工艺能够匹配量子计算的脚步，量子芯片或将迎来自己的“摩尔定律”。

“最重要的是如何基于现有的芯片技术、芯片产业，去做好量子计算芯片在未来5到10年内的Scaling（扩展）。无论是把它的设计方案进一步精进，减少芯片制造过程中的薄膜缺陷、电路差损等问题；还是更好地嵌入现有的微纳加工工艺，在更微缩的制程上实现芯片的制备和表征；以及更好地实现封装工艺或者更底层技术范式的革新。”储文皓告诉《中国电子报》记者。

除了量子芯片，超导量子计算系统还包括低温组件、包含稀释制冷机的极低温极低噪声平台、室温端电子学测控系统、操控软件及系统等。储文皓表示，更大规模的稀释制冷机、更低温的射频电子学设备和传输设备，以及更加高效智能的基础软件，将与量子芯片的迭代一起，推动量子计算的创新发展。