目前最高水准的超导量子计算机——“祖冲之三号”的攀登之路

“祖冲之三号”总师朱晓波（左一）与课题组青年讨论实验结果。代蕊/摄

在量子计算优越性的科研道路上，我国科学家又越过一座山峰。

近日，中国科学技术大学（以下简称“中国科大”）教授潘建伟、朱晓波、彭承志等，与合作单位构建了105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”，实现对“量子随机线路采样”任务的快速求解。这台机器处理量子随机线路采样问题的速度，比目前最快的超级计算机快15个数量级。

这意味着，我国继“祖冲之二号”科研突破后，再次打破超导体系量子计算优越性纪录。研究成果登上了《物理评论快报》的封面，审稿人称，“这一工作构建了目前最高水准的超导量子计算机”。

毋庸置疑，量子计算科技已成为全球瞩目的前沿研究领域。今年的政府工作报告提到，“建立未来产业投入增长机制，培育生物制造、量子科技、具身智能、6G等未来产业。”

面对全球激烈的竞争态势，上述科研团队如何攻坚克难迭代技术，有何科研管理模式的创新探索，青年科研人才在其中如何发挥作用？近日，中青报·中青网记者对该团队进行了专访。

“量子优越性”领域的你追我赶

“量子优越性是量子计算强大性能的综合体现，可以验证量子力学原理在计算领域的可行性与潜力。”“祖冲之三号”总师朱晓波表示，只有实现了量子优越性，量子计算机才有可能真正发挥实际应用价值，才有可能构建出超越经典计算的应用场景。

“量子计算优越性”也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。中美在该领域处于第一方阵，交替领先、你追我赶。

2019年，谷歌公司率先宣称实现量子计算优越性。谷歌53比特“悬铃木”处理器在200秒内完成的随机线路采样任务，用当时最快的超级计算机进行模拟需要约一万年。

一年后，以最优经典算法为比较标准，国际上首个被严格证明的量子计算优越性由中国科大在“九章”光量子计算原型机上实现。而超导体系首个被严格证明的量子计算优越性，则由该团队于2021年在66比特的“祖冲之二号”处理器上实现，使得我国成为在超导和光量子两条技术路线上，都实现了“量子优越性”的国家。

2023年，中国科大演示了更先进的经典算法。同年，中国科大研发的255光子“九章三号”量子优越性超越经典超算16个数量级。2024年10月，谷歌67比特超导量子处理器“悬铃木”量子优越性超越经典超算9个数量级。

而本次研究中，团队在66比特“祖冲之二号”的基础上，大幅提升了各项关键性能指标，实现了105个数据比特、182个耦合比特的“祖冲之三号”。其中，在随机线路采样任务上，“祖冲之三号”的速度比“悬铃木”快100万倍，成为目前超导体系里“最强”的量子计算优越性代表。

“祖冲之三号”何以“最强”

朱晓波指出，目前，实现量子优越性的量子计算机主要分为两个体系：一个是光子体系，主要代表为九章号；另一个是超导体系，主要代表为祖冲之号和谷歌的“悬铃木”。

“祖冲之三号”与之前成果相比，最直观的优势与变化，是量子比特数目从66个提升到105个。朱晓波形容量子处理器就如同“超级大脑”，量子比特就像是大脑里的神经元，神经元越多，大脑能处理的信息就越复杂，也就更容易解决难题。他介绍，团队正是通过芯片架构的优化和制造工艺的改进，才提高了量子比特的集成度和可扩展性。

此外，团队还实施多项“独门绝技”，才实现了关键性能的提升。

“祖冲之三号”芯片示意图。中国科大供图

例如，“祖冲之三号”的单比特量子门保真度达到99.90%，双比特量子门保真度达到99.62%，读取保真度达到99.13%。朱晓波打了个比方，量子门的保真度就好比神经元之间相互传递信息的正确率，量子门的保真度越高，大脑处理信息时就越不会出错。而读取保真度，可以理解为大脑处理完信息后还需要输出，读取保真度越高，说明输出过程中出错的概率越小。

保真度的提升，则主要归功于团队在量子比特的相干时间、门操作精度和读出效率等方面的优化。

“可以将量子比特的相干时间理解为神经元能有效工作的时间，相干时间越长，意味着神经元能处理的信息越复杂。”朱晓波说，在相干时间的迭代路径上，团队不断优化量子比特的电路参数，降低其对噪声的敏感性。

量子处理器设计制造、优化量子比特和耦合器电场分布、改进控制信号传输……在朱晓波看来，在技术路径迭代道路上，类似的摸索和创新还有很多。而正是由于各类关键性能的大幅提升，“祖冲之三号”才能实现目前复杂度最高的量子随机线路采样实验，最终全面分析、评估量子计算机整体性能。

科研探索和工程化“双轨并行”

2019年至今，从“祖冲之一号”到“祖冲之三号”，团队在短时间内实现量子比特数量与性能的跨越式提升。在朱晓波看来，这得益于科研和工程化双轨管理模式的创新，让科研人员目标更明确，合作更顺畅。

他解释，工程化管理聚焦终极目标——通用容错量子计算机，以“祖冲之二号”“祖冲之三号”及后续型号为发展主干，明确各阶段任务与分工。同时，鼓励青年科研人员围绕主干目标自由驰骋探索，在超导量子芯片设计、量子算法优化等细分领域展开创新研究，激发众人创新活力，最终将枝干的养分再汇聚到树木主干上。

团队成员、中国科大博士后查辰介绍，在大目标引领的基础上，整个团队按照工程管理方法，将量子计算机研发项目细分为多个子系统，如量子芯片、量子控制、量子软件等。每个子系统小组由不同学科背景的团队负责，定期召开跨学科交流会议，分享进展与挑战。这样便于打破学科壁垒，让各专业优势相互融合，培养既扎根科研又助力工程化的复合型人才。

团队成员、中国科大95后在读博士付元豪每次走进实验室，听到那台一层楼高的稀释制冷机发出熟悉的嗡鸣，心中总会想起前辈们说的话：“大家要抓住机遇，积极地参与到大实验项目的锻炼中，个人各方面能力会得到快速提升。”

2021年，刚进团队时，付元豪尚未完全理解这句话的分量，直到去年年底，团队调试“祖冲之三号”量子优越性实验指标，明明双比特量子门保真度已达99.6%，系统整体性能却始终未达预期。团队不同学科的同学全部行动起来，花了两周排查，发现是控制系统的软件逻辑出了问题，导致时序同步出现几纳秒偏差。这一点看似微不足道的问题，却让整套设备成了“精致的随机数发生器”。

“与传统物理研究不同，超导量子计算并非探索自然界固有实体，而是用微纳加工技术创造‘人工原子’。这意味着，即便全球的量子团队都选择超导路线，技术细节也可能千差万别。但科研问题的关键，往往就藏在这些没有出现在文献、教科书上的细节里。”他感慨。

“大家深知量子计算研发的难度与复杂性，做足了心理准备。”査辰还记得这样一件事，彰显大伙的凝聚力与战斗力。

2024年夏天，研发正处于关键阶段，面临着一项亟待解决的技术难题——进一步提高双比特量子门保真度操作的保真度。刚开始，实验保真度几乎降至0，远低于理论预期。为此，多个分系统的团队成员主动放弃休息，纷纷从擅长的专业角度出发，经常加班至凌晨一两点，提出了数十个优化方案。最终，通过跨学科协作实现方案有机整合，大家成功发现问题根源，显著提高了保真度。

在有关单位支持下，团队在构建科学探索与工程实践深度融合的研发体系时，摸索出“理论预研-技术验证-工艺固化”的螺旋式协同机制，有效推动量子计算从实验室的前沿理论探索，逐步迈向严谨精密的工程化实践。

朱晓波拿105比特超导量子芯片这一突破举例，团队首先应用科学属性驱动创新方向，基于量子纠错算法和表面码架构的前沿研究，为芯片设计提供理论支撑，开发了钽膜工艺、量子门标定等多个科学方案。

其次是保障技术落地，团队同步将新研发的科学方案落地成规范的工程流程，从而将量子比特相干时间稳定地提升至72微秒，实现单/双比特门保真度提升。“最后，依托国家实验室平台，联合9家单位利用跨学科资源共同攻关技术难题。”

“下一步跨越”难在哪儿

每当坐在仪器屏幕前操纵着小小的量子比特时，付元豪总是忍不住展望量子芯片的前景——当未来可容错的通用量子计算机诞生时，它将会成为最锋利的矛，“刺穿”传统的通信加密方式，为世界带来颠覆性变革！

业内普遍认同，量子计算的发展主要分“三步走”：第一阶段是实现量子计算优越性，对特定问题的计算能力超越最快的超级计算机；第二阶段是实现专用量子模拟机，相干操纵数百至上千个量子比特，用于解决经典计算机无法胜任的量子化学、高温超导机理、拓扑物态等重要科学问题；第三阶段是实现通用容错量子计算机，在量子纠错的辅助下相干操纵至少上百万量子比特，用于解决经典密码破解、人工智能、材料设计、生物制药等领域的计算难题。

朱晓波坦言，第一阶段已经实现，在第二阶段，量子计算产业化的瓶颈主要在于找到真正有实际用途的场景，这意味着科研团队需要在复杂的化学模拟、量子化学等应用领域，通过实际案例来验证量子计算对生产力发展的推动作用；第三阶段，想要实现量子计算全面实用化，需要实现可容错的量子计算机。当量子比特数目拓展至百万量级时，团队需要确保各种操作的保真度不仅不会下降，反而能进一步提升。

对于这支由中青年组成的科研团队而言，未来之路，信心和压力并存。

眼下，科学层面上，“祖冲之三号”量子处理器已经能处理更复杂的量子信息，执行更复杂的量子算法，这能推动量子纠错的研究，同时推动量子化学模拟、药物研发等领域的发展。

尽管在技术路线上，团队选择了变频比特以及耦合强度可调的架构设计路线，但查辰观察到，近年来，各大团队似乎在技术上呈现趋同的进化趋势，这表明在技术发展过程中，各团队都在不断借鉴和吸纳彼此优点。

因此，“迈向下一步跨越”是个难题。朱晓波说，这包括如何构建完整的量子计算生态体系，形成从芯片制备到应用开发的一整套技术能力，“只有啃下一个个硬骨头，量子计算才能从实验室走向更为深远的实际应用，贴近百姓生活”。

平时，朱晓波总是和团队年轻人念叨，作为一项具有重大战略意义的前沿技术，量子计算每一个环节都充满挑战与不确定性，从基础理论探索到关键技术突破，再到实际应用落地，绝非一蹴而就。“我们不仅要怀抱‘十年磨一剑’的科研理念，还要充分尊重科研规律，深刻理解量子科技。”

团队成员、中国科大在读博士高岽鑫将这些话牢牢记在心里。他自豪地说，量子计算对我国高水平科技自立自强必然有重大意义，作为青年科研人员，庆幸能让个人求知欲与国家需求同频共振。在参加一些课堂交流和学术活动时，他会习惯性地将这些信息传递给更年轻的学弟学妹们。

他说：“希望学弟学妹们在校期间，对量子计算、人工智能、机器人与自动化等前沿领域保持了解和兴趣，便于后期投身相关事业科研报国。希望未来能够见证第一台通用量子计算机在中国诞生！”

中青报·中青网记者 王海涵 王磊 来源：中国青年报

责任编辑：高秀木