量子计算“祖冲之三号”量子计算机突破两大“不可能”

【导语】2025年3月，中国科学技术大学潘建伟团队研制的超导量子计算原型机“祖冲之三号”问世，集成105个高性能量子比特与182个耦合比特，不仅在特定任务上比全球最快超级计算机快千万亿倍，更首次跨越量子纠错“盈亏平衡点”，实现“越纠越对”，为实用化容错量子计算机打开大门。这一里程碑成果，标志着中国量子计算研究从“算力领先”迈向“又快又准”的新纪元(yuán)。

眼(yǎn)前(qián)是(shì)一(yī)道(dào)公(gōng)认(rèn)的(de)世(shì)界(jiè)级(jí)难(nán)题(tí)：若(ruò)交(jiāo)给(gěi)当(dāng)今(jīn)最(zuì)快(kuài)的(de)超(chāo)级(jí)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算(suàn)机(jī)，需(xū)要(yào)百(bǎi)万(wàn)亿(yì)年(nián)才(cái)能(néng)算(suàn)出(chū)答(dá)案(àn)。然(rán)而(ér)，就(jiù)在(zài)一(yī)眨(zhǎ)眼间，一台全新机器(qì)给(gěi)出(chū)了(le)精(jīng)确(què)结(jié)果(guǒ)——这(zhè)并(bìng)非(fēi)科(kē)幻(huàn)，而(ér)是(shì)刚(gāng)刚(gāng)发(fā)生(shēng)的(de)现(xiàn)实(shí)。

它(tā)就(jiù)是(shì)由(yóu)中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)大(dà)学(xué)潘(pān)建(jiàn)伟(wěi)、朱(zhū)晓(xiǎo)波(bō)、彭(péng)承(chéng)志(zhì)等(děng)团(tuán)队(duì)联(lián)合(hé)攻关研制出的超导量子计算原型机*祖冲之三号”。2025 年 3 月，他们将 105 个高性能量子比特与 182 个耦合比特集成到一块指甲盖大小的芯片上，正式宣告诞生。

这项里程碑式成果首先以碾压级速度刷新“量子优越性”纪录：在特定任务上，它比全球最快的超级经典计算机快上千万亿倍。更令人振奋的是，它在量子计算的核心战场“量子纠错”取得了历史性突破——首次跨越了梦寐以求的“盈亏平衡点”。

那么，何谓“盈亏平衡点”？为(wèi)何(hé)连(lián)期(qī)刊审稿人都认为这一工作“构建了目前最高水准的超导量子计算机”？那么，就请各位读者保持好奇心，来和我们一同揭开这一突破的神秘面纱吧！

量子“魔力”与守护神——

量子计算机与纠错之战

量子计算机被视为未来计算的“神器”，其核心在于利用量子力学的两大特性——叠加与纠缠。经典比特非 0 即 1，如同单盏开关；而量子比特（Qubit）却可以同时处于 0 和 1 的叠加态，如同能同时照亮两种状态的灯。当多个量子比特发生纠缠，它们的状态便紧密关联，形成一个庞大的并行计算空间。这使得量子计算机在处理某些复杂问题时，潜力远超经典计算机。

量子比特的一般定义是两级量子系统的量子态 图源：Wikipedia

然而，承载这份“魔力”的量子态极其脆弱。环境中细微的热量和噪声干扰，都可能导致量子态“崩溃”并丢失信息，这种现象称为“退相干”。计算过程中的微小错误可能被迅速放大，导致结果完全错误。这成为阻碍量子计算机实用化的“阿喀琉斯之踵”。

量子纠错（Quantum Error Correction, QEC）正是对抗这一弱点的“守护神”，其目标并非彻底消除物理错误（这近乎不可能），而是通过“冗余备份”和“主动修复(fù)”策(cè)略，构(gòu)建(jiàn)更(gèng)稳(wěn)定(dìng)、抗(kàng)错(cuò)的(de)堡(bǎo)垒(lěi)——逻(luó)辑(ji)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)（Logical Qubit）。

简(jiǎn)言(yán)之(zhī)，就(jiù)是(shì)将(jiāng)一(yī)份(fèn)量(liàng)子(zi)信(xìn)息(xi)巧(qiǎo)妙(miào)地(de)分(fēn)布(bù)式(shì)存(cún)储(chǔ)在(zài)多(duō)个(gè)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)关联(lián)状(zhuàng)态(tài)中(zhōng)。即使其中一两个物理比特出错，通过周期性的“体检”（测量特定关联信息）和“治疗”（纠错操作），也能发现并修复错误，保护逻辑比特中的核心信息。

但是，量子纠错本身并非免费，它需要引入额外的量子比特（辅助比特）和复杂的量子门操作。不幸的是，这些操作本身也不完美，会引入新的错误！这就导致了一个根本困境：如果纠错过程引入的错误（“成本”）超过了它能修复的错误（“收益”），那么纠错就变成了净亏损，得不偿失。因此，实现“盈亏平衡点”即纠错带来的净收益大于零——成为整个量子计(jì)算(suàn)领(lǐng)域公认的、通往实用化道路上的最关键里程碑之一。

跨越生死线——

逻辑比特的胜利与“越纠越对”

想要更好地理解“祖冲之三号”在纠错上的突破，我们首先需要区分两种量子比特：

一种是物理量子比特（Physical Qubit）：构成量子计算机硬件的最基本单元（如“祖冲之三号”芯片上的超导量子比特）。它们直接暴露在外界噪声环境中，如同无盔甲的战士，极易出错，能保持量子态的时(shí)间(jiān)（相(xiāng)干(gàn)时(shí)间(jiān)）很(hěn)短(duǎn)。

另(lìng)一(yī)种(zhǒng)是(shì)逻(luó)辑(ji)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)（Logical Qubit）：由(yóu)多(duō)个(gè)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)通(tōng)过(guò)特(tè)定(dìng)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)码(mǎ)（如(rú)本(běn)次(cì)实(shí)验(yàn)采用(yòng)的(de)“表(biǎo)面(miàn)码”）编码组合而成的受保护“团队”。量子信息分布式存储于团队的“集体状态”中。团队通过成员间的相互监督与协作（纠错操作），保护核心信息安全，即使个别成员出错。

盈亏平衡点的核心判据在于：逻辑比特“团队”的有效寿命（逻辑相干时间），是否超过了构成该团队的所有物理比特“成员”中，最易出错的那个成员的原始寿命（物理相干时间）。

如果未达平衡点，即逻辑团队寿命短于最差成员原始寿命，就说明纠错净亏损（团队协作反而加速失败）。而如果达到平衡点，即逻辑团队寿命超过最差成员原始寿命，就表明纠错净收益（团队协作有效延长了信息寿命）！

“祖冲之三号”平台实现的，正是这一期盼已久的里程碑！研究团队在该先进系统上精心设计并实施了复杂的量子纠错方案。实验结果确凿无疑：他们首次在超导量子计算体系中，清晰观测到逻辑量子比特的相干时间，明确超过了其编码中所有物理量子比特中最短的那个的相干时间！

“祖冲之三号”超导量子计算原型机的示意图 图源：中国科学技术大学

这如同经营一家小店，需要权衡投入和产出。其中，支出（成本）包含雇佣店员（辅助比特）、运营管理（纠错操作），这些都会消耗资源（引入错误）。收入（收益）来自通过运营管理（纠错），防止货物损坏（纠正物理比特错误），实现销售（保护信息）。

长久以来，小店入不敷出（支出>收入）。而“祖冲之三号”的实验证明，小店终于开始盈利（收入>支出）！或者说，给珍贵信息穿上“防护服”（纠错编码）后，防护服非但未因自身快速损耗（纠错操作错误）而失效，反而让内部信息比仅靠最差物理比特“裸奔”时存活得更久！

这一突破的划时代意义在于：它从实验上确凿证明了量子纠错能带来净的保护增益，实现了“越纠越对”！这验证了量子纠错理论的基石，扫除了通向实用化量子计算机道路上的根本性疑虑。它标志着人类在保护脆弱量子信息、实现长时间可靠计算的征途中，跨越了最具象征意义的“生死线”，为未来构建真正容错的量子计算机（即使部分硬件出错，整体计算依然正确）打开了核心大门。

算力巅峰：玻色采样再证量子优越性

“祖冲之三号”不仅是一个精密的纠错研究平台，其本身也是一个世界顶尖的超导量子计算引擎，105 个高性能量子比特赋予了它强大的并行计算能力。

为了充分展示其澎湃算力，研究人员利用“祖冲之三号”执行了一项对经典计算机而言极其艰巨的任务——高斯玻色采样（Gaussian Boson Sampling, GBS）。这类问题的核心是模拟光量子（玻色子）在复杂线性光学网络中传播和干涉后的概率分布。其计算难度会随着问题规模（光子数、模式数）指数级爆炸式增长，是验证量子计算优越性的经典任务之一。经典超级计算机面对稍大规模的高斯玻色采样，所需计算时间将变得无比漫长甚至不可能完成，而量子计算机则能相对高效地模拟其核心过程。

高斯玻色采样实验中时间复杂度的演变趋势。其中，SYC 和 ZCZ 分别代表谷歌Sycamore系列超导量子处理器和中科大“祖冲之”系列超导量子处理器。 图源：参考文献[1]

“祖冲之三号”交出的答卷令人震撼：它在执行特定规模的高斯玻色取样任务时，速度比当今全球最快的经典超级计算机快了整整 15 个数量级（即一千万亿倍）！这不仅是“祖冲之”系列量子处理器算力的又一次巨大飞跃，更是在超导量子计算体系上以无可争议的优势再次实现了“量子计算优越性”（Quantum Computational Advantage/Supremacy）。这意味着在解决这类特定复杂问题上，“祖冲之三号”展现出了所有经典计算机都无法企及的处理速度，如同一辆超级跑车将自行车远远甩在身后。

结语——国际量子年的中国里程碑，

未来之路在纠错

“祖冲之三号”的成功，是中国量子科技在 2025 年联合国教科文组织指定的国际量子年结出的双生硕果，意义深远：

首先，它树立了量子纠错领域的里程碑。这项突破首次跨越量子纠错的盈亏平衡点，实现“越纠越对”，验证了容错量子计算的可行性根基。这不仅是超导量子计算的突破，更是整个量子信息科学领域的重大进展。

其次，它再次证明了我国量子计算的优越性。以 105 比特规模和 15 个数量级的性能(néng)优(yōu)势(shì)，“祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)”再(zài)次(cì)刷(shuā)新(xīn)并(bìng)巩(gǒng)固(gù)了(le)我(wǒ)国(guó)在(zài)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)领(lǐng)域的(de)世(shì)界(jiè)领(lǐng)先(xiān)地(de)位(wèi)，彰(zhāng)显(xiǎn)了(le)强(qiáng)大(dà)的(de)工(gōng)程(chéng)实(shí)现(xiàn)能(néng)力(lì)。

量子计算的三个发展阶段 图源：腾讯量子实验室值此国际量子年，“祖冲之三号”的双突破，是中国为全球量子(zi)科(kē)技(jì)发(fā)展(zhǎn)献上的厚礼。它清晰标注了量子计算发展的关键坐标：从演示量子优越性的算力巅峰，到攻克量子纠错的可靠性基石。这标志着量子计算研究正从“证明我能行”的阶段，迈向“又快又准”的新纪元。

参考文献

[1]Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

[2]Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[3]Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180501.

[4]Zhu Q, Cao S, Chen F, et al. Quantum computational advantage via 60-qubit 24-cycle random circuit sampling[J]. Science bulletin, 2022, 67(3): 240-245.