眼前是一道公認的世界級難題：若交給當今最快的超級經(jīng)典計算機，需要百萬億年才能算出答案。然而，就在一眨眼間，一臺全新機器給出了精確結(jié)果——這并非科幻，而是剛剛發(fā)生的現(xiàn)實。

它就是由中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志等團隊聯(lián)合攻關研制出的超導量子計算原型機“祖沖之三號”。2025 年 3 月，他們將 105 個高性能量子比特與 182 個耦合比特集成到一塊指甲蓋大小的芯片上，正式宣告誕生。

這項里程碑式成果首先以碾壓級速度刷新“量子優(yōu)越性”紀錄：在特定任務上，它比全球最快的超級經(jīng)典計算機快上千萬億倍。更令人振奮的是，它在量子計算的核心戰(zhàn)場“量子糾錯”取得了歷史性突破——首次跨越了夢寐以求的“盈虧平衡點”。

那么，何謂“盈虧平衡點”？為何連期刊審稿人都認為這一工作“構(gòu)建了目前最高水準的超導量子計算機”？那么，就請各位讀者保持好奇心，來和我們一同揭開這一突破的神秘面紗吧！

量子“魔力”與守護神——

量子計算機與糾錯之戰(zhàn)

量子計算機被視為未來計算的“神器”，其核心在于利用量子力學的兩大特性——疊加與糾纏。經(jīng)典比特非 0 即 1，如同單盞開關；而量子比特（Qubit）卻可以同時處于 0 和 1 的疊加態(tài)，如同能同時照亮兩種狀態(tài)的燈。當多個量子比特發(fā)生糾纏，它們的狀態(tài)便緊密關聯(lián)，形成一個龐大的并行計算空間。這使得量子計算機在處理某些復雜問題時，潛力遠超經(jīng)典計算機。

量子比特的一般定義是兩級量子系統(tǒng)的量子態(tài)（圖片來源：Wikipedia）

然而，承載這份“魔力”的量子態(tài)極其脆弱。環(huán)境中細微的熱量和噪聲干擾，都可能導致量子態(tài)“崩潰”并丟失信息，這種現(xiàn)象稱為“退相干”。計算過程中的微小錯誤可能被迅速放大，導致結(jié)果完全錯誤。這成為阻礙量子計算機實用化的“阿喀琉斯之踵”。

量子糾錯（Quantum Error Correction, QEC）正是對抗這一弱點的“守護神”，其目標并非徹底消除物理錯誤（這近乎不可能），而是通過“冗余備份”和“主動修復”策略，構(gòu)建更穩(wěn)定、抗錯的堡壘——邏輯量子比特（Logical Qubit）。

簡言之，就是將一份量子信息巧妙地分布式存儲在多個物理量子比特的關聯(lián)狀態(tài)中。即使其中一兩個物理比特出錯，通過周期性的“體檢”（測量特定關聯(lián)信息）和“治療”（糾錯操作），也能發(fā)現(xiàn)并修復錯誤，保護邏輯比特中的核心信息。

但是，量子糾錯本身并非免費，它需要引入額外的量子比特（輔助比特）和復雜的量子門操作。不幸的是，這些操作本身也不完美，會引入新的錯誤！這就導致了一個根本困境：如果糾錯過程引入的錯誤（“成本”）超過了它能修復的錯誤（“收益”），那么糾錯就變成了凈虧損，得不償失。因此，實現(xiàn)“盈虧平衡點”即糾錯帶來的凈收益大于零——成為整個量子計算領域公認的、通往實用化道路上的最關鍵里程碑之一。

跨越生死線——

邏輯比特的勝利與“越糾越對”

想要更好地理解“祖沖之三號”在糾錯上的突破，我們首先需要區(qū)分兩種量子比特：

一種是物理量子比特（Physical Qubit）：構(gòu)成量子計算機硬件的最基本單元（如“祖沖之三號”芯片上的超導量子比特）。它們直接暴露在外界噪聲環(huán)境中，如同無盔甲的戰(zhàn)士，極易出錯，能保持量子態(tài)的時間（相干時間）很短。

另一種是邏輯量子比特（Logical Qubit）：由多個物理量子比特通過特定量子糾錯碼（如本次實驗采用的“表面碼”）編碼組合而成的受保護“團隊”。量子信息分布式存儲于團隊的“集體狀態(tài)”中。團隊通過成員間的相互監(jiān)督與協(xié)作（糾錯操作），保護核心信息安全，即使個別成員出錯。

盈虧平衡點的核心判據(jù)在于：邏輯比特“團隊”的有效壽命（邏輯相干時間），是否超過了構(gòu)成該團隊的所有物理比特“成員”中，最易出錯的那個成員的原始壽命（物理相干時間）。

如果未達平衡點，即邏輯團隊壽命短于最差成員原始壽命，就說明糾錯凈虧損（團隊協(xié)作反而加速失?。?。而如果達到平衡點，即邏輯團隊壽命超過最差成員原始壽命，就表明糾錯凈收益（團隊協(xié)作有效延長了信息壽命）！

“祖沖之三號”平臺實現(xiàn)的，正是這一期盼已久的里程碑！研究團隊在該先進系統(tǒng)上精心設計并實施了復雜的量子糾錯方案。實驗結(jié)果確鑿無疑：他們首次在超導量子計算體系中，清晰觀測到邏輯量子比特的相干時間，明確超過了其編碼中所有物理量子比特中最短的那個的相干時間！

“祖沖之三號”超導量子計算原型機的示意圖（圖片來源：中國科學技術大學）

這如同經(jīng)營一家小店，需要權衡投入和產(chǎn)出。其中，支出（成本）包含雇傭店員（輔助比特）、運營管理（糾錯操作），這些都會消耗資源（引入錯誤）。收入（收益）來自通過運營管理（糾錯），防止貨物損壞（糾正物理比特錯誤），實現(xiàn)銷售（保護信息）。

長久以來，小店入不敷出（支出>收入）。而“祖沖之三號”的實驗證明，小店終于開始盈利（收入>支出）！或者說，給珍貴信息穿上“防護服”（糾錯編碼）后，防護服非但未因自身快速損耗（糾錯操作錯誤）而失效，反而讓內(nèi)部信息比僅靠最差物理比特“裸奔”時存活得更久！

這一突破的劃時代意義在于：它從實驗上確鑿證明了量子糾錯能帶來凈的保護增益，實現(xiàn)了“越糾越對”！這驗證了量子糾錯理論的基石，掃除了通向?qū)嵱没孔佑嬎銠C道路上的根本性疑慮。它標志著人類在保護脆弱量子信息、實現(xiàn)長時間可靠計算的征途中，跨越了最具象征意義的“生死線”，為未來構(gòu)建真正容錯的量子計算機（即使部分硬件出錯，整體計算依然正確）打開了核心大門。

算力巔峰：玻色采樣再證量子優(yōu)越性

“祖沖之三號”不僅是一個精密的糾錯研究平臺，其本身也是一個世界頂尖的超導量子計算引擎，105 個高性能量子比特賦予了它強大的并行計算能力。

為了充分展示其澎湃算力，研究人員利用“祖沖之三號”執(zhí)行了一項對經(jīng)典計算機而言極其艱巨的任務——高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling, GBS）。這類問題的核心是模擬光量子（玻色子）在復雜線性光學網(wǎng)絡中傳播和干涉后的概率分布。其計算難度會隨著問題規(guī)模（光子數(shù)、模式數(shù)）指數(shù)級爆炸式增長，是驗證量子計算優(yōu)越性的經(jīng)典任務之一。經(jīng)典超級計算機面對稍大規(guī)模的高斯玻色采樣，所需計算時間將變得無比漫長甚至不可能完成，而量子計算機則能相對高效地模擬其核心過程。

高斯玻色采樣實驗中時間復雜度的演變趨勢。其中，SYC 和 ZCZ 分別代表谷歌Sycamore系列超導量子處理器和中科大“祖沖之”系列超導量子處理器。（圖片來源：參考文獻[1]）

“祖沖之三號”交出的答卷令人震撼：它在執(zhí)行特定規(guī)模的高斯玻色取樣任務時，速度比當今全球最快的經(jīng)典超級計算機快了整整 15 個數(shù)量級（即一千萬億倍）！這不僅是“祖沖之”系列量子處理器算力的又一次巨大飛躍，更是在超導量子計算體系上以無可爭議的優(yōu)勢再次實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”（Quantum Computational Advantage/Supremacy）。這意味著在解決這類特定復雜問題上，“祖沖之三號”展現(xiàn)出了所有經(jīng)典計算機都無法企及的處理速度，如同一輛超級跑車將自行車遠遠甩在身后。

結(jié)語——國際量子年的中國里程碑，

未來之路在糾錯

“祖沖之三號”的成功，是中國量子科技在 2025 年聯(lián)合國教科文組織指定的國際量子年結(jié)出的雙生碩果，意義深遠：

首先，它樹立了量子糾錯領域的里程碑。這項突破首次跨越量子糾錯的盈虧平衡點，實現(xiàn)“越糾越對”，驗證了容錯量子計算的可行性根基。這不僅是超導量子計算的突破，更是整個量子信息科學領域的重大進展。

其次，它再次證明了我國量子計算的優(yōu)越性。以 105 比特規(guī)模和 15 個數(shù)量級的性能優(yōu)勢，“祖沖之三號”再次刷新并鞏固了我國在超導量子計算領域的世界領先地位，彰顯了強大的工程實現(xiàn)能力。

量子計算的三個發(fā)展階段（圖片來源：騰訊量子實驗室）

值此國際量子年，“祖沖之三號”的雙突破，是中國為全球量子科技發(fā)展獻上的厚禮。它清晰標注了量子計算發(fā)展的關鍵坐標：從演示量子優(yōu)越性的算力巔峰，到攻克量子糾錯的可靠性基石。這標志著量子計算研究正從“證明我能行”的階段，邁向“又快又準”的新紀元。

參考文獻

[1]Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

[2]Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[3]Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180501.

[4]Zhu Q, Cao S, Chen F, et al. Quantum computational advantage via 60-qubit 24-cycle random circuit sampling[J]. Science bulletin, 2022, 67(3): 240-245.

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出品丨科普中國

作者丨欒春陽 王雨桐 清華大學物理系博士

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