IT之家 12 月 17 日消息，12 月 9 日，谷歌公司在《自然》發(fā)表了利用 105 比特超導量子處理器“垂柳（Willow）”實現(xiàn)了碼距最高為 7 的表面碼量子糾錯。
一周后的 12 月 17 日，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊在 arXiv 平臺上發(fā)布我國研制的具備 105 個量子比特的超導量子計算機“祖沖之三號”的相關(guān)成果。
實驗數(shù)據(jù)顯示，“祖沖之三號”的性能優(yōu)于谷歌上一代的“懸鈴木”（Sycamore，今年 10 月《自然》刊文結(jié)果中采用 72 個量子比特）6 個數(shù)量級，各項性能指標也與谷歌剛發(fā)布的“垂柳”達到了同一量級，為目前超導量子計算的最強優(yōu)越性。
IT之家注：“量子計算優(yōu)越性”是指量子計算機需要在特定的問題求解上，表現(xiàn)出超越經(jīng)典計算機的能力，從而解決連超級計算機都無法在短時間內(nèi)解決的計算任務(wù)。量子優(yōu)越性是量子計算具備應(yīng)用價值的前提條件，也是當前一個國家量子計算研究實力的直接體現(xiàn)。
除了中國科學技術(shù)大學，刊文單位還包括合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院上?？茖W研究中心、合肥國家實驗室、國盾量子公司、河南省量子信息與量子密碼重點實驗室、中國計量科學研究院、濟南量子技術(shù)研究院、西安電子科技大學、中國科學院理論物理研究所，這項成果由來自 9 家科研單位的 154 名科研人員共同完成，凸顯了合作的重要性。IT之家注意到，Dongxin Gao、Daojin Fan、Chen Zha 為論文共同第一作者，朱曉波教授、潘建偉院士為論文通訊作者。
2019 年，谷歌宣布其 53 比特“懸鈴木”量子處理器在 200 秒內(nèi)完成了一項隨機線路采樣任務(wù)，并聲稱憑此實現(xiàn)了量子計算的優(yōu)越性。然而，這一成果在 2023 年遇到中國科學家的有力挑戰(zhàn)。中國研究人員發(fā)展了更加先進的經(jīng)典算法，利用 A100 GPU 僅用約 17 秒便完成了同樣的任務(wù)，推翻了谷歌當時關(guān)于量子優(yōu)勢的宣稱。
2020 年，中國科學技術(shù)大學構(gòu)建的“九章”光量子計算原型機利用光子路線首次嚴格證明了量子計算優(yōu)越性。之后在 2021 年，超導體系首個被嚴格證明的量子計算優(yōu)越性在“祖沖之二號”處理器上實現(xiàn)。至此，中國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。
達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑之后，當前量子計算研究的重點任務(wù)之一是突破量子糾錯技術(shù)，為量子比特的大規(guī)模集成和操縱，進而構(gòu)建容錯通用量子計算機奠定基礎(chǔ)。表面碼是實現(xiàn)量子糾錯大規(guī)模擴展最成熟的方案。
2022 年，中國科學家首先在“祖沖之二號”超導量子處理器上實現(xiàn)了碼距為 3 的表面碼量子糾錯，首次驗證了表面碼方案的可行性。2023 年，谷歌實現(xiàn)了碼距為 3 和 5 的表面碼邏輯比特，首次展示了錯誤率隨著碼距的增加而下降。2024 年 12 月的最新工作中，谷歌利用“垂柳”處理器實現(xiàn)了碼距為 3、5 和 7 的表面碼邏輯比特，并更為顯著地降低了邏輯比特的錯誤率，從原理上驗證了表面碼方案的擴展性，為集成和操縱大規(guī)模量子比特系統(tǒng)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。
據(jù)介紹，“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，從而使其計算能力在理論上有了顯著的拓展，能夠處理更為復雜的量子計算任務(wù)，為探索更大規(guī)模的量子算法和應(yīng)用提供了可能。
同時，其保真度也實現(xiàn)了提升，“祖沖之二號”單量子比特門保真度約為 99.7%，“祖沖之三號”達到了 99.90%；“祖沖之二號”雙量子比特門保真度約為 99.2%，“祖沖之三號”提升至 99.62%。
如圖所示，“祖沖之三號”量子處理器由兩個使用倒裝芯片技術(shù)集成的藍寶石芯片組成。其中一塊芯片上集成了 105 個量子比特和 182 個耦合器，而另一塊芯片上集成了所有控制線和讀取諧振器。
據(jù)官方介紹，“祖沖之三號”量子處理器最重要的進步之一是提高了相干時間，成功將弛豫時間（T1）延長到 72μs，將退相位時間（T_2,CPMG）延長到 58μs。
此外，讀取性能是祖沖之三號的另一項重大進步。為了實現(xiàn)高保真度的快速讀取，研究人員將量子比特和讀取諧振器之間的耦合強度提高到大約 130 MHz，并將讀取諧振器的線寬調(diào)整到大約 10 MHz。
官方表示，在每次采樣任務(wù)之前，研究人員會執(zhí)行三輪測量，并施加相應(yīng)的單量子比特門將量子比特重置為 | 0?態(tài)。這種方法減少了熱噪聲對態(tài)制備的影響，并縮短了每次采樣的持續(xù)時間。經(jīng)過這些優(yōu)化后，83 個量子比特的平均讀取錯誤率被抑制到 0.82%。
中國科學技術(shù)大學超導量子團隊正在基于“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。
參考資料：
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