一款新型的高性能量子處理器擁有105個超導(dǎo)量子比特，可以與廣受好評的谷歌“柳木”處理器相媲美。

在探索實用量子計算機的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，基于超導(dǎo)量子比特的處理器尤其大有可為。這類設(shè)備既可編程又能糾錯。2024年12月，美國加利福尼亞州谷歌量子人工智能團隊的研究人員公布了一款名為柳木（Willow）的105量子比特超導(dǎo)處理器。如今，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉團隊也展示了他們自己的105量子比特處理器，祖沖之三號（圖1）。這兩款處理器性能相當(dāng)。

量子優(yōu)勢（量子計算優(yōu)越性）指的是量子計算機在執(zhí)行特定任務(wù)時，速度比最強大的非量子計算機或經(jīng)典計算機更快。用于此自的的標(biāo)準(zhǔn)測試任務(wù)稱為隨機線路采樣，其工作原理如下：量子計算機對一組量子比特施加一系列隨機排序的操作，該序列稱為隨機線路，隨機線路以一種獨特而復(fù)雜的方式轉(zhuǎn)換量子比特。隨后，計算機測量量子比特的最終狀態(tài)，并用不同的隨機線路多次重復(fù)這個過程，從而記錄下最終的量子比特狀態(tài)的概率分布。

對于經(jīng)典計算機而言，等價的問題是通過計算量子比特的最終狀態(tài)轉(zhuǎn)換來模擬這一概率分布。然而，這一任務(wù)對經(jīng)典計算機過于復(fù)雜，實際上無法完成。取而代之的是，研究人員通常會基于對當(dāng)前最優(yōu)模擬方法及其所需資源（尤其是運行時間）的合理假設(shè)，來推測經(jīng)典計算機模擬該任務(wù)的難度一不過，這種假設(shè)可能存在一定爭議。

2021年，潘建偉團隊利用隨機線路采樣，聲稱他們原創(chuàng)的祖沖之處理器實現(xiàn)了量子優(yōu)勢。該處理器以中國古代博學(xué)家祖沖之命名，他在公元5世紀(jì)計算出了精確度破紀(jì)錄的圓周率。最初的祖沖之處理器包含66個可讀取量子比特和110個耦合量子比特，研究團隊對其中一個包含56個量子比特的子集執(zhí)行了多達20層邏輯周期的隨機線路采樣，周期數(shù)是用來衡量量子比特運算復(fù)雜度的指標(biāo)。研究人員得出結(jié)論：他們的56量子比特系統(tǒng)在隨機線路采樣任務(wù)上優(yōu)于谷歌2019年公布的53量子比特超導(dǎo)處理器“懸鈴木”。此后，潘建偉團隊與谷歌之間展開了一場激烈的競賽，雙方都致力于構(gòu)建規(guī)模更大、質(zhì)量更高的超導(dǎo)處理器。

谷歌2024年12月發(fā)布的105量子比特“柳木”處理器贏得了廣泛贊譽，不僅是因為它擁有出色的質(zhì)量和規(guī)模，還因為它能夠承載低于閾值的表面碼存儲器（一種可用于容錯量子計算的存儲器）。而如今，潘建偉團隊推出了祖沖之三號，該處理器包含105個可讀取的量子比特，以 15×7 的陣列排列，并配備182個耦合量子比特。在測試該設(shè)備時，研究人員對包含83個量子比特的子集進行了32層邏輯周期的隨機線路采樣。他們測算出，即使是最強大的經(jīng)典計算機，也需要數(shù)十億年的運行時間才能模擬該量子處理器僅用100秒生成的概率分布。這一性能比谷歌此前的67量子比特和70量子比特懸鈴木處理器（柳木的前身）高出多個數(shù)量級。

雖然祖沖之三號和柳木都執(zhí)行了隨機線路采樣任務(wù)，但由于任務(wù)復(fù)雜度不同，并不能直接比較兩者的性能。一篇谷歌的博客文章稱，對柳木的基準(zhǔn)測試表明，當(dāng)今最快的經(jīng)典計算機需要 年才能模擬柳木在5分鐘內(nèi)生成的結(jié)果。不過，這兩款量子處理器的核心參數(shù)還是可以比較的，例如全球量子情報公司（GQI）在《量子計算報告》中給出的對比表格。該表列出了以下參數(shù)的平均值：量子比特連通性、自發(fā)輻射率、退相干率（自發(fā)輻射率和退相干率是兩種可能導(dǎo)致錯誤的量子比特效應(yīng)）、單量子比特和雙量子比特邏輯門的保真度、量子比特讀出保真度以及這些邏輯門的時間延遲量。

根據(jù)該表，柳木和祖沖之三號的平均量子比特連通性不相上下，在其他指標(biāo)上，柳木則略占優(yōu)勢。不過，這場競賽尚未結(jié)束，這些結(jié)果僅是兩支團隊

潘建偉團隊詳細(xì)描述了他們在實現(xiàn)高性能量子處理器過程中克服的挑戰(zhàn)。其中，他們所取得的關(guān)鍵突破在于提高了相干時間，即量子比特維持其脆弱量子態(tài)的持續(xù)時間。研究團隊通過優(yōu)化描述設(shè)備電容和超導(dǎo)電感的參數(shù)，減少了電荷和磁通噪聲，從而延長了相干時間。此外，研究人員還重新設(shè)計了量子比特電容墊以減少能量損耗，升級了布線以盡量減少室溫電子設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，并將兩塊基板結(jié)合，以延長量子比特的弛豫時間和退相干時間。

由于復(fù)雜的地緣政治背景，這場關(guān)于大規(guī)模超導(dǎo)量子計算的競賽變得更加引人關(guān)注。量子計算被視為一種新興的雙用途技術(shù)，這意味著它的發(fā)展及應(yīng)用（盡管目前尚未實現(xiàn)，且在很大程度上難以預(yù)測）可以同時供民用和軍用。在這一背景下，國際上的討論已導(dǎo)致相關(guān)措施出臺，對能夠以低錯誤率處理34量子比特信息的量子計算機及其關(guān)鍵組件施行出口限制。然而，從潘建偉團隊和谷歌的實驗結(jié)果來看，即使在這些限制措施之下，受地緣政治影響的競爭者仍處于勢均力敵的較量之中。 0 在當(dāng)前階段的對比縮影，雙方的差距也并不顯著。

本文作者巴里·桑德斯（BarrySanders）擁有加拿大卡爾加里大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位、倫敦大學(xué)博士學(xué)位以及倫敦帝國理工學(xué)院的理學(xué)博士學(xué)位。他的研究重點是量子科學(xué)。他是卡爾加里大學(xué)量子科技中心“量子城”的科學(xué)主管，創(chuàng)新顛覆實驗室多倫多大學(xué)分部和卡爾加里大學(xué)分部的導(dǎo)師，加拿大深科技組織的董事會主席，歐洲核子研究中心開放量子研究所和谷歌量子計算XPRIZE基金會的顧問。他也是美國物理學(xué)會、英國物理學(xué)會、美國光學(xué)學(xué)會和加拿大皇家學(xué)會的成員