“祖冲之三号”芯片示意图
3月3日，中国科学技术大学教授、“祖冲之号”量子计算总师朱晓波（左一）与学生讨论实验结果。
中国科学家已成功构建目前最高水准超导量子计算机——105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”，再次打破超导体系量子计算优越性世界纪录。
翻筋斗的“祖冲之”
记者从中国科学技术大学获悉，近期该校潘建伟、朱晓波、彭承志等成功构建“祖冲之三号”，处理“量子随机线路采样”问题的速度比目前国际最快的超级计算机快千万亿倍。
3月3日国际知名学术期刊《物理评论快报》发表了该成果，审稿人认为其“构建了目前最高水准的超导量子计算机”。
量子计算被认为可能是下一代信息革命的关键技术。量子计算优越性像个门槛，验证了量子计算机超越传统计算机的可行性，是量子计算具备应用价值的前提条件，也是一个国家量子计算研究实力的体现。
“祖冲之三号”包含105个可读取比特和182个耦合比特，多项关键性能指标大幅提升。
经测试，“祖冲之三号”完成83比特32层的随机线路采样，以目前最优经典算法为比较标准，计算速度比当前最快的超级计算机快千万亿倍，也比2024年10月谷歌公开发表的最新成果快百万倍，为目前国际超导体系中最强的量子计算优越性。
2019年和2020年，美国和中国相继推出量子计算原型机“悬铃木”和“九章”，实现了“量子优越性”，其中“九章”使用的是光量子技术路线。
2021年，66比特的超导量子计算原型机“祖冲之二号”研制成功，中国率先成为在超导和光量子两条技术路线上都实现“量子优越性”的国家。
国际学界主流观点认为，量子计算发展需经历“三步走”：第一步是实现量子计算优越性；第二步是研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题；第三步是大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算机。
据悉，“祖冲之三号”科研团队正在量子纠错、量子纠缠、量子模拟、量子化学等多方面加快探索。
中国欲弯道超车
量子力学是20世纪以来最重要的科学进展之一。如果把量子科技比作一架“飞机”，那么量子计算就相当于飞机的“发动机”，量子通信就相当于飞机的“无线电”，量子测量就相当于飞机的“雷达”。量子计算是利用量子技术获取更强算力，量子通信是利用量子技术获得更安全通信，量子测量是利用量子技术获得更精准的测量。
量子计算的发展最早可以追溯到上世纪80年代，物理学家理查德·费曼首次提出量子模拟的概念，之后科学家通过一系列验证性实验论证了量子计算的可行性，指出可利用量子计算机求解电子计算机（经典计算机）难以解决的问题。
在随后的几十年里，理论物理学家不断完善量子计算的理论基础，包括量子比特的引入、量子叠加态和量子纠缠等特性的揭示。1994年，彼得·肖尔提出的肖尔算法和洛夫·格罗弗的格罗弗量子搜索算法，更是进一步展示了量子计算机在解决特定问题上的高效性。
相比于经典计算机，量子计算机具备一些独有的特性。首先，一个经典比特具有0和1两种可能的状态，在同一时间只能处于其中的某一个状态；而一个两能级量子比特可以处于0态和1态的叠加态，也就是说一个量子比特可以同时存储0和1两个数。其次，多个经典比特之间是独立的，而量子比特之间组成的是一个复合系统。这些特性共同导致量子计算机与经典计算机相比具有两个显著优势：一是量子计算机信息存储量随比特数的增多呈指数级增长，理论上当比特数足够大（例如比特数达到250个）时，量子计算机能够存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多；二是量子计算机是对量子比特构成的整个复合系统进行操作，可以将其理解为一种原理上的“并行计算”，这是经典计算机无法实现的。
从全球布局来看，美国和欧洲是量子产业生态的活跃地区，欧美国家的量子企业聚集度较高，全球占比超过60%。
全球主要国家正在加快布局建立量子经典协同计算平台。2023年，国际商业机器公司（IBM）在加拿大、西班牙的超算中心部署127比特量子计算机。欧盟将6台高性能量子计算机集成到捷克、法国、德国、意大利、波兰和西班牙的各个超算中心，组成欧洲的量子计算网络。日本理化学研究所（RIKEN）在日本产的64比特超导量子计算机和超级计算机“富岳”之间建立通信链路。2024年，“本源悟空”成功接入上海超算中心、国家超算郑州中心、长三角枢纽芜湖集群，软件层面实现不同算力的弱耦合。合肥先算中心率先在国内启动超量融合中心建设，即将试点部署真实量子计算机。
全球有超过100个企业案例活跃在能源、医疗保健、金融、汽车、航空航天、物流等行业。国际商业机器公司（IBM）的研究证明，利用量子经典协同工作，100+比特量子计算机可以探索化学、材料领域的实用级问题，并与化工、汽车、能源、航空等领域的众多合作者迅速推进应用，行业内预测量子计算产生商业价值的时间大大提前。
（本报综合自《人民日报》、新华社）