2025年3月3日，国际顶尖期刊《物理评论快报》的封面被一张精密芯片示意图占据---由中国科学技术大学潘建伟、朱晓波团队领衔研制的105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”。论文发表引起全球物理学界关注：审稿人评价其“构建了目前最高水准的超导量子计算机”，美国物理学会更同步刊发专文解析其突破性意义。在了解为什么祖冲之三号会给全世界带来如此大的震撼之前，我们需要先聊一聊什么是量子计算，祖冲之三号又把量子计算进行到了哪个程度。

想要理解量子计算的强大，我们先从最基础的单位说起。你正在使用的手机或电脑里，无论是文字、图片还是视频，所有的信息最终都被转换成了无数个0和1的组合。这个0或1，就是传统计算的基本单位，叫做比特（bit）。就像开关一样，要么开（1），要么关（0），非此即彼。

举个最简单的例子：用两个比特（两个0/1的位置），我们可以表示4种不同的状态——00、01、10、11。如果我们约定00代表春天，01代表夏天，10代表秋天，11代表冬天，那么仅用两个开关的组合就能表达四季。增加到8个比特，就有256种组合，足够表示英文字母、数字和标点符号。

不同于我们常见到计算机，量子计算机使用的是量子比特，它打破了这种0即1的限制。量子比特就像一个正在空中旋转的硬币，在它落地之前，你无法说它是正面还是反面，而是两种可能性同时存在，这种状态被称为叠加态。

而更神奇的是量子纠缠，当你抛起两个相距遥远但互相纠缠的量子硬币的其中一枚，无论相隔多远，只要测量其中一个，则会立即影响另一个的测量结果，它们之间存在着超越经典物理的关联性。这种奇异的联系使得爱因斯坦也一直为之困惑。

这两个特性结合起来，创造了量子计算的奇迹。举个具体的例子：假设我们要在一个有1000扇门的迷宫中找到唯一的出口。传统计算机只能一扇一扇地尝试，最坏情况下要试1000次。。而量子计算机利用10个量子比特，约1024种状态叠加，通过量子傅里叶变换并行生成所有门的可能性，再借量子干涉放大正确路径信号，几乎可以瞬间找到出口。

1981年，物理学巨匠理查德·费曼在一次演讲中提出了一个大胆设想："自然不是经典的，如果你想模拟自然，最好使用量子力学。"他意识到，要真正模拟量子系统，我们需要一台本身就遵循量子规律的计算机。38年后的2019年秋，谷歌宣布，其"悬铃木"超导芯片完成53比特随机电路采样，宣称"需要一万年破解的难题，我们只需200秒。" 而仅在一年后的2020年冬，中科大的"九章"光量子计算机以76个光子打破纪录——完成玻色采样只需200秒，而当时最快的超级计算机需要6亿年。2021年"祖冲之二号"超导芯片再破纪录，让中国成为首个双路线（光量子+超导）实现量子优越性的国家。

我们要知道，在超导量子计算这条技术路线上，每一个技术细节都影响着全局。量子比特不仅要在接近绝对零度（-273°C）的环境下工作，还需在如此极端的环境下精确控制每个量子比特的状态。这种控制精度要求达到纳秒级别——相当于在一秒钟内精确控制10亿次操作。从62比特的"祖冲之一号"到66比特的"祖冲之二号"，数字上看只增加了4个比特，但技术难度却是指数级增长，即2^4=16倍。

"祖冲之二号"不仅做到了规模扩展，还将关键性能指标全面提升，比如在可编程性上的突破，使其能够运行包括量子机器学习、量子化学模拟在内的多种算法，这为后续向百比特级别冲击，也就是我们即将要介绍的祖冲之三号奠定了坚实基础。

2025年3月，当《物理评论快报》将一张精密的量子芯片图放上封面时，代表着中国的量子计算又一次改写了历史。这就是我们的"祖冲之三号"，一台拥有105个量子比特的超导量子计算原型机。

刚才我们提到，从祖冲之一号到二号增加了四个比特，而从二号到三号，足足增加了39个。在量子世界里，这意味着计算空间从266扩展到2105，整整扩大了5500亿倍。我们常用恒河沙数来形容数量之无尽，而根据推测计算，地球沙子总数约为7.36 × 10²⁴粒，105比特具备的状态数足囊括得下百万个地球的沙粒总量。

但拥有庞大的计算空间只是第一步，大而不精并非我们追求的，其实际运算能力仍需考验。于是在随机线路采样任务上研究团队设计了一个83比特、32层深度的量子线路，这可以说是迄今为止最复杂的量子计算任务了。而祖冲之三号完成100万个样本仅需几百秒，若是交给传统计算机，哪怕是世界赫赫有名的超算Frontier完成同样任务需要几十亿年。要知道地球的年龄也不过45亿年。值得一提的是，与谷歌2024年10月发布的最新成果相比，祖冲之三号的计算优势提升了整整6个数量级。这不是简单的性能提升，而是质的飞跃。

还有一个问题没有解决。当量子计算机完成了经典计算机无法完成的任务时，我们如何验证结果的正确性？

中科大团队采用了分而治之策略，他们称之为"片段电路"（patch circuits）方法。首先是切分电路：通过选择性移除部分双量子比特门，将复杂电路拆解成二分片或四分片。接着在31比特规模上进行系统验证：对比分片电路与完整电路的保真度，发现四分片与完整电路的比值稳定在1.05。基于这种高度一致性，当分片验证全部通过，即可推定——83比特32周期的完整任务（保真度0.023%）必然由真实的量子计算完成。

祖冲之三号的出世代表了中国，乃至人类能力的又一次拓展。从62比特到66比特，再到105比特；从微秒级的相干时间到99.9%的门保真度；从理论构想到工程实现，每一步跨越都凝聚着中国科学家的智慧与汗水。从1981年费曼的预言到今天，量子计算走过了44年的征程。中国从追赶者成长为领跑者之一，在光量子和超导两条技术路线上同时实现突破，在未来，在药物研发领域，在材料科学中，在人工智能中..........我们有理由相信：量子计算不再是遥不可及的科幻，而是正在到来的现实。

参考文献

Zhong, H. S., Wang, H., Deng, Y. H., Chen, M. C., Peng, L. C., Luo, Y. H., ... & Pan, J. W. (2020). Quantum computational advantage using photons. Science, 370(6523), 1460-1463.

Gao, D., Fan, D., Zha, C., Bei, J., Cai, G., Cai, J., ... & Zhu, C. (2025). Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor. Physical Review Letters, 134(9), 090601.

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生

审核丨张文卓 夸密量子CEO、前墨子号卫星团队副研究员

来源: 论文