Zuchongzhi-3 芯片的示意图。105 个量子比特和 182 个耦合器集成在同一芯片上，以执行量子随机电路采样任务。

一项新的量子计算突破在科技界掀起了冲击波。中国科学技术大学的研究人员推出了 Zuchongzhi-3，这是一台 105 量子比特的机器，其处理计算的速度甚至使最强大的超级计算机相形见绌。

它标志着在追求量子霸权的道路上又向前迈进了一步，该团队展示了比 Google 最新结果高出几个数量级的计算能力。

Zuchongzhi-3 的量子计算突破

中国科学院下属中国科学技术大学 （USTC） 的一个研究团队及其合作伙伴在使用配备 105 个量子比特和 182 个耦合器的超导量子计算原型 Zuchongzhi-3 在随机量子电路采样方面取得了重大进展。

磨冲之三号以惊人的速度运行，执行计算的速度比当今最强大的超级计算机快^{10 到 15} 倍，比谷歌最新发布的量子计算结果快 100 万倍。这一成就标志着量子计算的重大突破，建立在其前身 Zuchongzhi-2 的成功基础上。

这项研究由Jianwei Pan、Xiaobo Zhu、Chengzhi Peng和其他来自国内外的研究人员领导，作为封面文章发表在《物理评论快报》上。

通往量子霸权之路

量子霸权，即量子计算机执行经典计算机无法完成的任务的能力，一直是该领域的一个关键目标。2019 年，Google 的 53 量子比特 Sycamore 处理器在 200 秒内完成了一项随机电路采样任务，据估计，在当时世界上最快的超级计算机上，这一壮举需要 10000 年的时间。

然而，在 2023 年，中国科学技术大学的研究人员展示了更先进的经典算法，能够使用 1400 多个 A100 GPU 在 14 秒内完成相同的任务。随着配备扩展内存的 Frontier 超级计算机的问世，这项任务现在可以在 1.6 秒内完成，有效地挑战了谷歌早先的量子霸权主张。

突破界限：九章和祖冲治里程碑

随后，以最优经典算法为基准，中国科学技术大学的同一团队于 2020 年通过九章光子量子计算原型实现了第一个经过严格验证的量子霸权。随后在 2021 年使用 Zuchongzhi-2 处理器进行了超导演示。

2023 年，该团队开发的 255 光子九章三号展示了超越经典超级计算机 10¹⁶ 个数量级的量子霸权。2024 年 10 月，谷歌的 67 量子比特超导量子处理器 Sycamore 的性能比经典超级计算机高出 9 个数量级，展示了量子霸权。

Zuchongzhi-3：量子性能的飞跃

在 66 量子比特 Zuchongzhi-2 的基础上，中国科学技术大学研究团队显著提高了关键性能指标，开发了具有 105 个量子比特和 182 个耦合器的 Zuchongzhi-3。量子处理器实现了 72 μs 的相干时间、99.90% 的同步单量子比特门保真度、99.62% 的同步双量子比特门保真度和 99.13% 的同步读出保真度。延长的相干时间为执行更复杂的作和计算提供了必要的持续时间。

为了评估其功能，该团队在系统上执行了一项 83 量子比特、32 层随机电路采样任务。结果表明，其计算速度比世界上最强大的超级计算机快 15 个数量级，比 Google 最新的量子计算结果高出 6 个数量级，在超导系统中建立了迄今为止最强大的量子计算优势。

拓展量子研究的未来

继“磨冲之三号”获得最强的“量子计算优势”后，该团队正在积极推进量子纠错、量子纠缠、量子模拟和量子化学方面的研究。研究人员实现了 2D 网格量子比特架构，提高了量子比特的互连性和数据传输速率。

利用这种架构，他们集成了表面代码，目前正在开发使用距离 7 表面代码的量子误差校正，并计划将其扩展到 9 和 11 的距离。这些努力旨在实现量子比特的大规模集成和作。

全球认可和影响

该团队的工作意义深远，并受到广泛赞誉。一位期刊审稿人将其描述为“对新型超导量子计算机进行基准测试，该计算机显示出最先进的性能”，并且“对以前的 66 量子比特设备 （Zuchongzhi-2） 进行了重大升级”。

同时，为了认识到这项研究的极端重要性，《物理学杂志》刊登了一篇专门的观点文章，深入探讨了其创新并强调了其更广泛的意义。