近日，中国科学技术大学的科研团队成功研制出一款具有105个量子比特和182个耦合器的超导量子处理器原型机——祖冲之3号。在随机量子电路采样任务上，这款原型机的运行速度比目前最快的超级计算机快10¹⁵倍，比谷歌最新公布的成果还要快100万倍！相关研究成果已作为封面文章发表在《物理评论快报》上。

量子霸权，简单来说，就是量子计算机能完成传统经典计算机难以胜任的任务。2019年，谷歌的53比特“悬铃木”处理器完成一项随机电路采样任务仅用了200秒，要是当时用世界最快的超级计算机来模拟，得花上大约1万年。但后来情况发生了变化，2023年中国科大展示了更先进的经典算法，用1400多个A100 GPU，大约14秒就完成了相同任务。要是用配备更大内存的前沿超级计算机，预计1.6秒就能搞定，这也让谷歌之前宣称的“量子霸权”被推翻。

随后，中国科大的团队以最优经典算法为参照，2020年用“九章”光量子计算原型机首次实现了经过严格证明的量子霸权，2021年又借助祖冲之2号处理器在超导系统中完成同样壮举。2023年，255光子的“九章3号”展示出比经典超级计算机快10¹⁶倍的量子霸权。2024年10月，谷歌67比特的“悬铃木”超导量子处理器，也以比经典超级计算机快9个数量级的成绩，展示了量子霸权。

这次的祖冲之3号，是在祖冲之2号66比特的基础上，大幅提升了关键性能指标才研制出来的。它的量子比特相干时间达到72微秒，并行单比特门保真度为99.90% ，并行双比特门保真度为99.62%，并行读出保真度为99.13%。更长的相干时间，为完成更复杂的运算和操作提供了保障。

为了测试祖冲之3号的实力，科研团队在系统上进行了83比特、32层的随机电路采样任务。结果显示，它的计算速度比当前最优经典算法快15个数量级，比谷歌去年10月公布的最新成果快6个数量级，创下了超导系统目前最强的量子计算优势。

取得这项成果后，科研团队并没有停下脚步，而是积极在量子纠错、量子纠缠、量子模拟、量子化学等领域开展研究。他们采用了二维网格量子比特架构，让量子比特之间的连接更高效，数据传输速度也更快。基于这个架构，团队集成了表面码，还在积极研究距离为7的表面码量子纠错技术，未来还打算把距离提升到9和11，为量子比特的大规模集成和操控做准备。

这项研究意义重大，得到了广泛好评。有期刊审稿人评价，这是在为新型超导量子计算机设定标杆，性能达到了顶尖水平，相比之前的66比特设备（祖冲之2号）有了显著升级。参与这项研究的团队成员包括潘建伟、朱晓波、彭承志等，还联合了上海量子科学研究中心、河南省量子信息与密码重点实验室、中国计量科学研究院、济南量子技术研究院、西安电子科技大学微电子学院、中国科学院理论物理研究所等机构。

参考资料：DOI： 10.48550/arxiv.2412.11924