🔰 - 物联网与车联网领域企业级服务平台

【导语】2025年3月3日，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波团队研发的105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”登上国际顶尖期刊《物理评论快报》封面，引发全球物理学界轰动。这一成果不仅标志着中国在量子计算领域取得重大突破，更预示着量子计算革命的到来。从基础概念到技术实现，本文将带您深入了解量子计算的奥秘，以及“祖冲之三号”如何引领人类认知边界的新拓展。

2025年3月3日，国际顶尖期刊《物理评论快报》的封面被一张精密芯片示意图占据---由中国科学技术大学潘建伟、朱晓波团队领衔研制的105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”。论文发表的瞬间，引起全球物理学界为之震动关注：审稿人评价其“构建了目前最高水准的超导量子计算机”，美国物理学会更同步刊发专文解析其突破性意义。在了解为什么祖冲之三号会给全世界带来如此大的震撼之前，我们需要先聊一聊什么是量子计算，祖冲之三号又把量子计算进行到了哪个程度。

想要理解量子计算的强大，我们先从最基础的单位说起。你正在使用的手机或电脑里，无论是文字、图片还是视频，所有的信息最终都被转换成了无数个0和1的组合。这个0或1，就是传统计算的基本单位，叫做比特（bit）。就像开关一样，要么开（1），要么关（0），非此即彼。

举个最简单的例子：用两个比特（两个0/1的位置），我们可以表示4种不同的状态——00、01、10、11。如果我们约定00代表春天，01代表夏天，10代表秋天，11代表冬天，那么(me)仅(jǐn)用(yòng)两(liǎng)个(gè)开关的组合就能表达四季。增加到8个比特，就有256种组合，足够表示英文字母、数字和标点符号。

不同于我们常见到计算机，量子计算机使用的是量子比特，它打破了这种(zhǒng)0即(jí)1的限制。量子比特就像一个正在空中旋转的硬币，在它落地之前，你无法说它是正面还是反面，而是两种可能性同时存在，这种状态被称为叠加态。

而更神奇的是量子纠缠，当你抛起两个相距遥远但互相纠缠的量子硬币的其中一枚，无论相隔多远，只要测量其中一个，则会立即影响另一个的测量结果，它们之间存在着超越经典物理的关联性。这种奇异的联系使得爱因斯坦也一直为之困惑。

这两个特性结合起来，创造了量子计算的奇迹。举个具体的例子：假设我们要在一个有1000扇门的迷宫中找到唯一的出口。传统计算机只能一扇一扇地尝试，最坏情况下要试1000次。。而量子计算机利用10个量子比特，约1024种状态叠加，通过量(liàng)子(zi)傅(fu)里(lǐ)叶(yè)变(biàn)换并行性一次生成所有门的可能性云，再借量子干涉放大正确路径信号，几乎可以瞬间找到出口。

1981年，物理学巨匠理查德·费曼在一次演讲中提出了一个大胆设想："自然不是经典的，如果你想模拟自然，最好使用量子力学。"他意识到，要真正模拟量子系统，我们需要一台本身就遵循量子规律的计算机。38年后的2019年秋，谷歌宣布，其"悬铃木"超导芯片完成53比特随机电路采样，宣称"需要一万年破解的难题，我们只需200秒。" 而仅在一年后的2020年冬，中科大的"九章"光量子计算机以76个光子打破纪录——完成高斯玻色采样只需200秒，而当时最快的超级计算机需要6亿年，实现的特定任务速度更是较“悬铃木”快100亿倍。2021年"祖冲之二号"超导芯(xīn)片(piàn)再(zài)破(pò)纪(jì)录(lù)，让(ràng)中(zhōng)国(guó)成(chéng)为(wèi)首(shǒu)个双路线（光量子+超导）实现量子优越性的国家。

我们要知道，在超导量子计算这条技术路线上，每一个技术细节都影响着全局。量子比特不仅要在接近绝对零度（-273°C）的环境下工作，还需在如此极端的环境下精确控制每个量子比特的状态。这种控制精度要求达到纳秒级别——相当于在一秒(miǎo)钟(zhōng)内(nèi)精(jīng)确(què)控(kòng)制(zhì)10亿(yì)次(cì)操(cāo)作(zuò)。从(cóng)62比(bǐ)特(tè)的(de)"祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)一(yī)号(hào)"到(dào)66比(bǐ)特的"祖冲之二号"，数字上看只增加了4个比特，但技术难度却是几何指数级增长，即2^4=16倍。如果搭过积木就能理解，每增加一层，保持整体稳定的难度却是指数级增长。

"祖冲之二号"不仅做到了规模扩展，还将关键性能指标全面提升，比如在可编程性上的突破，使其能够运行包括量子机器学习、量子化学模拟在内的多种算法，这为后续向百比特级别冲击，也就是我们即将要介绍的祖冲之三号奠定了坚实基础。

2025年3月，当《物理评论快报》将一张精密的量子芯片图放上封面时，代表着中国的量子计算又一次改写了历史。这就是我们的"祖冲之三号"，一台拥有105个量子比特的超导量子计算原型机。

刚才我们提到，从祖冲之一号到二号增加了四个比特，而从二号到三号，足足增加了39个。在量子世界里，这意味着计算空间从266扩展到2105，整整扩大了5500亿倍。我们常用恒河沙数来形容数量之无尽，而根据推测计算，地球沙子总数约为7.36 × 10²⁴粒，105比特具备的状态数足囊括得下百万个地球的沙粒总量。

但拥有庞大的计算空间只是第一步，大而不精并非我们追求的，其实际运算能力仍需考验。于是在随机线路采样任务上研究团(tuán)队(duì)设(shè)计(jì)了(le)一(yī)个(gè)83比(bǐ)特(tè)、32层(céng)深(shēn)度(dù)的(de)量(liàng)子(zi)线(xiàn)路，这(zhè)可(kě)以(yǐ)说(shuō)是(shì)迄(qì)今(jīn)为(wèi)止(zhǐ)最(zuì)复(fù)杂(zá)的(de)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)任(rèn)务(wu)了(le)。而(ér)祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)完(wán)成(chéng)100万(wàn)个(gè)样(yàng)本(běn)仅(jǐn)需(xū)几(jǐ)百(bǎi)秒(miǎo)，若是交给传统计算机，哪怕是世界赫赫有名的超算Frontier完成同样任务需要几十亿年。要知道地球的年龄也不过45亿年。当传统计算机还在计算第一个样本时，太阳可能已经熄灭，地球早已不复存在。值得一提的是，与谷歌2024年10月发布的最新成果相比，祖冲之三号的计算优势提升了整整6个数量级。这不是简单的性能提升，而是质的飞(fēi)跃(yuè)。

不(bù)能(néng)庆(qìng)祝(zhù)太(tài)早(zǎo)，还(hái)有(yǒu)一(yī)个(gè)问(wèn)题(tí)没(méi)有(yǒu)解(jiě)决(jué)。当(dāng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)完(wán)成(chéng)了(le)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算(suàn)机(jī)无(wú)法(fǎ)完(wán)成(chéng)的(de)任(rèn)务(wu)时(shí)，我们如何验证结果的正确性？对于高斯玻色采样，完全认证其输出被强烈推测为经典计算所不可处理。于是

中科大团队采用了分而治之策略，他们称之为"片段电路"（patch circuits）方法。首先是切分电路：通过选择性移除部分双量子比特门，将复杂电路拆解成二分片或四分片。接着在31比特规模上进行系统验证：对比分片电(diàn)路与(yǔ)完(wán)整电路的保真度，发现四分片与完整电路的比值稳定在1.05。基于这种高度一致性，当分片验证全部通过，即可推定——83比特32周期的完整任务（保真度0.023%）必然(rán)由(yóu)真(zhēn)实(shí)的(de)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)完(wán)成(chéng)。

祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)的(de)出(chū)世(shì)代(dài)表(biǎo)了(le)中(zhōng)国(guó)，乃(nǎi)至(zhì)人(rén)类(lèi)认(rèn)知(zhī)边(biān)界(jiè)能(néng)力(lì)的(de)又(yòu)一(yī)次(cì)拓(tà)展(zhǎn)。从(cóng)62比(bǐ)特(tè)到(dào)66比(bǐ)特(tè)，再(zài)到(dào)105比(bǐ)特(tè)；从(cóng)微(wēi)秒(miǎo)级(jí)的(de)相(xiāng)干(gàn)时(shí)间(jiān)到(dào)99.9%的(de)门(mén)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)；从(cóng)理(lǐ)论(lùn)构(gòu)想(xiǎng)到(dào)工(gōng)程(chéng)实(shí)现(xiàn)，每(měi)一(yī)步(bù)跨(kuà)越(yuè)都(dōu)凝(níng)聚(jù)着(zhe)中(zhōng)国科学家的智慧与汗水。59亿年的计算被压缩到几百秒，不可不谓为一种计算范式的革命。

从1981年费曼的预言到今天，量子计算走过了44年的征程。中国从追赶者成长为领跑者之一，在光量子和超导两条技术路线上同时实现突破，在未来，在药物研发领域，在材料科学中，在人工智能中..........我们有理由相信：量子计算不再是遥不可及的科幻，而是正在到来的现实。

参考文献

Zhong, H. S., Wang, H., Deng, Y. H., Chen, M. C., Peng, L. C., Luo, Y. H., ... & Pan, J. W. (2020). Quantum computational advantage using photons. Science, 370(6523), 1460-1463.

Gao, D., Fan, D., Zha, C., Bei, J., Cai, G., Cai, J., ... & Zhu, C. (2025). Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor. Physical Review Letters, 134(9), 090601.

本文为·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生

审核丨张文卓 夸密量子CEO、前墨子号卫星团队副研究员

————THE END