就在谷歌最强量子芯片发布一周后，我国自主研发的105个量子比特的超导量子计算机“祖冲三号”相关成果发布！
12月17日，中国科学技术大学、合肥微尺度物理科学国家研究中心、上海量子信息科学研究中心与中科院量子科技创新研究院、合肥国家实验室、河南省量子重点实验室中国计量科学研究院、济南量子技术研究所、西安电子科技大学、中科院理论物理研究所组成的研究团队在信息与量子密码领域发表论文题为“a New in with 105-qubit 3.0” on the arXiv ”（使用105量子位“-3”处理器建立量子计算优势的新基准测试），高、范、陈查在为该论文的共同第一作者，朱晓波教授和潘建伟院士为该论文的通讯作者。
两项年度重磅成绩相继出炉，“祖冲三号”处理器的性能指标也不相上下。 “祖冲三号”的优越性能表明我国在超导量子计算方面已经达到了世界最先进水平，完全有能力与国际顶尖科研力量竞争，为我国未来在超导量子计算方面奠定了坚实的基础。量子信息科学领域。发展为全球科技进步奠定了坚实基础，贡献了独特的中国智慧、中国方案！
国产子芯片最强音
根据论文中的实验数据，“祖冲三号”的性能优于谷歌的“悬铃木”，所有性能指标也旗鼓相当。最重要的是，与“祖冲二号”相比，“祖冲三号”在很多方面都取得了显着的性能提升，包括（这里只展示主要结果，后面详细技术讲解）：
随机电路采样任务执行效率：
在83量子比特、32周期随机电路采样实验中，“祖冲三号”能够在短短数百秒内完成百万个样本的采集。并且，对于这项任务，估计目前所需的最强大的经典超级计算机大约需要6.4×10⁹年才能完成相同的任务！这表明“祖冲之三号”处理复杂计算任务的速度和能力较祖冲之二号有了巨大的飞跃。其处理能力的提升使得经典模拟的成本比谷歌相关实验（SYC-67和SYC-70实验）也提高了六个数量级，从而树立了量子优越性的新标杆。
图：谷歌悬铃木、祖冲之二号、祖冲之三号性能指标对比
图：量子芯片的各种参数（注：Λ为误差抑制因子，XEB代表交叉熵基准）来源：
量子位的数量增加：
祖冲之2拥有66个量子位，祖冲之3的量子位数量增加到105个。这在理论上显着扩展了其计算能力，可以处理更复杂的量子计算任务，为探索更大尺度提供了基础。量子算法和应用提供了可能性。
提高操作保真度：
单量子比特门保真度——“祖冲2号”约为99.7%，“祖冲3号”达到99.90%；
双量子位门保真度——“祖冲2号”约为99.2%，“祖冲3号”提升至99.62%；
读取保真度：祖冲之2号约为98.1%，祖冲之3号达到99.18%。
保真度的全面提升，为构建复杂的量子算法、提高整个计算过程的可靠性奠定了基础。
“祖冲三号”量子处理器
正是对量子计算优势的不懈追求，研究团队才取得了“祖冲三号”的重大进展和发展。该超导量子计算机原型由105个量子位组成，具有很高的运算保真度，单量子位门、双量子位门和读取保真度分别为99.90%、99.62%和99.18%。研究团队进行了83个量子比特、32个周期的随机线采样实验，并在祖冲之三号上成功展示了优异的性能，在短短数百秒内采集了100万个样本。据估计，这个任务在最强大的经典超级计算机上是不可能完成的，完成同样的任务大约需要 6.4×10^9 年。这种处理能力的飞跃使得经典模拟比谷歌的 SYC-67 和 SYC-70 实验 [634, 328 (2024)] 昂贵六个数量级，为量子计算的优势树立了新的基准。这项工作不仅推动了量子计算的前沿发展，而且为量子处理器在解决复杂的现实世界挑战中发挥重要作用的新时代奠定了基础。
“祖冲三号”量子处理器的前身是“祖冲二号”。通过这次重大升级，量子比特的数量和质量都得到了显着提升。它包含 105 个量子位，排列成 15 行 7 列，形成一个两位数处理器。 3D矩形点阵，如图1所示。
图1：“祖冲三号”量子处理器。 a）“祖冲三号”量子处理器示意图。该器件由两块采用倒装芯片技术集成的蓝宝石芯片组成。一个芯片包含 105 个量子位和 182 个耦合器，而另一个芯片包含所有控制线和读出谐振器。 b) 量子位和耦合器的拓扑图。深灰色代表量子位，浅蓝色代表耦合器。 c) 通过耦合器耦合的两个量子位的简化电路原理图。
“祖冲三号”量子处理器最重要的进步之一就是相干时间的提升。这一改进是通过几个关键策略实现的。首先，研究人员优化了量子位的电路参数，包括电容和约瑟夫森电感，以降低对电荷和通量噪声的敏感性。其次，通过修改量子位电容器垫的形状来优化电场分布，以最大限度地减少表面介电损耗。第三，升级了布线中的衰减器配置，以减轻室温电子设备的噪声，从而显着缩短移相时间。最后，用光刻定义的基础组件更新了芯片制造程序，该基础组件由顶部蓝宝石基板上的钽和底部蓝宝石基板上的铝制成。然后使用铟凸块倒装芯片技术将它们粘合在一起。这种方法减少了界面的污染并延长了量子位的弛豫时间。因此，弛豫时间（T1）成功延长至72μs，移相时间（T_2，CPMG）延长至58μs。
单量子位门和类iSwap门的校准过程与“-2”中使用的校准过程类似。鉴于相干时间的进步，当所有门同时应用时，单个量子位门的平均泡利错误率（e1）和类iSwap门错误率（e2）已分别降低至0.10%和0.38%（图2(a))(b))。
读取性能是祖冲之3的另一项重大改进。为了实现高保真度的快速读出，研究人员将量子位与读出谐振器之间的耦合强度提高到130 MHz左右，并将读出谐振器的线宽调整到10 MHz左右。然而，耦合强度和线宽的增加导致弛豫时间的缩短。为了解决这个问题，研究人员优化了用于色散量子位测量的带通滤波器的设计，保护量子位免受影响。
此外，在每次采样任务之前，研究人员都会进行三轮测量，并应用相应的单量子位门将量子位重置为 |0> 状态。这种方法减少了热噪声对状态准备的影响，并缩短了每次采样的持续时间。经过这些优化后，83 个量子位的平均读取错误率被抑制到 0.82%（如图 2(c) 所示）。
图 2：所选 83 个量子位的门控和读取性能。 a) 通过交叉熵基准（XEB）实验测得的平均单量子位门错误率为0.97‰，持续时间为28ns。 b) 实验中使用的二量子位门的平均错误率为3.75‰，门持续时间为45ns。 c) 通过主动复位和0-2状态读取，平均读取错误率为8.67‰，从而提高读取保真度，同时将采样间隔缩短至400μs。提供的值对应于所有选定量子位的同时操作。
大规模随机线抽样
初步校准后，研究人员进行了随机量子电路采样，以评估量子处理器的整体性能。值得注意的是，每层双量子位门内的两个量子位 iSWAP 门按照特定模式应用（如图 1（3）所示，用 A、B、C 和 D 表示），并且在每个循环遵循ABCD-CDAB的顺序。每个周期中的单量子位门是从集合{√X,√Y,√W}中随机选择的。
验证完全随机量子电路的保真度非常具有挑战性，因为其理想输出无法进行经典模拟。为了解决这个问题，使用补丁电路来验证大规模随机量子电路。这些补丁电路是通过有选择地删除补丁之间的两个量子位门的部分来构建的。整条线可以分为两个独立的段（称为 2-patch）或四个段（称为 4-patch）。划分的段越多，模拟就越可行。然而，由于执行的两个量子位门的数量减少，预计保真度会略有增加。研究人员实现了该线路的 2 补丁、4 补丁和完整版本，从 12 个循环扩展到 32 个循环，每个循环内包含 31 个量子位，并计算了重复输出位串的线性交叉熵基准 (XEB)。富达F_XEB。实验结果如图 3(b) 所示（2-patch 线的结果显示在补充材料的图 S7 中）。 4 条线的平均保真度与完整线的保真度之比为 1.05。这种高度的对应性证明了验证电路在确保量子计算保真度方面的有效性。
如此出色的量子处理器使研究人员能够在比以前更大的范围内运行随机线采样。如图 3(c) 所示，研究人员对 83 量子位线实施了 12 至 32 个周期的随机线采样。对于具有 83 个量子位和 32 个周期的最大完整电路，研究人员总共收集了大约 4.1×10^8 位串。为了评估其保真度，研究人员还从 4-patch 线上收集了相应的位串。其实验保真度为 0.030%，而估计保真度为 0.033%。这种高度的一致性表明，即使在大规模量子位和高线深度下，使用离散误差模型估计保真度仍然高度可靠。因此，具有 83 个量子位和 32 个周期的完整电路的保真度可估计为 0.025%。
图3：31个量子位和83个量子位的随机线采样实验的保真度实验值和估计值。 83 个量子位的随机线采样实验的示意图。类似 iSWAP 的门是从标记为 A、B、C 和 D 的模式中选择的，这些模式按顺序排列。灰色八边形代表功能量子位，而紫色、蓝色、橙色和绿色线代表分别与四种模式 A、B、C 和 D 相关的类 iSWAP 门。此外，废弃的量子位和耦合器由空的八边形和线条表示。 b) 绿点和蓝点分别代表4-patch线和完整线的实验值，12-36个周期内有31个量子位。相应的实线代表这些线的估值。插入的拓扑图说明了 31 个量子位的具体配置。 c) 蓝色的点和线分别对应于83-qubit 4-patch线的实验值和估计值。红色五角星代表 83 个量子位的完整电路的估计，其中采样了 4.1 亿个位串。插入的拓扑图描述了 83 个量子位的具体配置。
图 4：随机线采样的进度。随机线采样实验中时间复杂度的演变。虚线说明了双指数增长模式。 SYC和ZCZ分别代表（ ）和（祖冲之）处理器。
山高水远，智者必达
论文显示，这一成果由来自9家科研机构的154名研究人员完成，凸显了合作的重要性。
11月16日，总书记在亚太经合组织第三十一次领导人非正式会议上发表题为《共担时代责任，推动亚太发展》的讲话。他表示，培育亚太绿色创新增长动能，必须牢牢抓住新一轮科技革命和产业变革机遇，加强人工智能、量子信息、人工智能等前沿领域交流合作。生命健康，打造开放、公平、公正、非歧视的创新生态系统，促进亚太地区生产力增长。
图片：《共担时代责任，促进亚太发展》 原文来源：新华网
在国际环境日益复杂的背景下，正如总书记所说，我们要抓住当前战略机遇期，在团结国内力量、集中优势资源的同时，积极参与国际量子技术研发，打造以中国为核心的国际合作交流新生态。
此外，考虑到谷歌“在五分钟内完成基准计算，而当今最快的超级计算机之一需要 10 的 25 次方（即 10^25）年才能完成”的结果是在新闻发布会上提出的，而不是在论文中提出的其中提到，结果表述得不够严格，因此很难对两者进行比较。同时，今天的论文并没有详细阐述“祖冲三号”在量子纠错方面的具体表现，因此无法与谷歌突破量子纠错阈值的成果相比较。我们也期待国内团队在量子纠错领域取得的成果。给我们带来更多惊喜。
