2025年3月3日，國際頂尖期刊《物理評論快報》的封面被一張精密芯片示意圖占據---由中國科學技術大學潘建偉、朱曉波團隊領銜研制的105比特超導量子計算原型機“祖沖之三號”。論文發表的瞬間，引起全球物理學界為之震動關注：審稿人評價其“構建了目前最高水準的超導量子計算機”，美國物理學會更同步刊發專文解析其突破性意義。在了解為什么祖沖之三號會給全世界帶來如此大的震撼之前，我們需要先聊一聊什么是量子計算，祖沖之三號又把量子計算進行到了哪個程度。

想要理解量子計算的強大，我們先從最基礎的單位說起。你正在使用的手機或電腦里，無論是文字、圖片還是視頻，所有的信息最終都被轉換成了無數個0和1的組合。這個0或1，就是傳統計算的基本單位，叫做比特（bit）。就像開關一樣，要么開（1），要么關（0），非此即彼。

舉個最簡單的例子：用兩個比特（兩個0/1的位置），我們可以表示4種不同的狀態——00、01、10、11。如果我們約定00代表春天，01代表夏天，10代表秋天，11代表冬天，那么僅用兩個開關的組合就能表達四季。增加到8個比特，就有256種組合，足夠表示英文字母、數字和標點符號。

不同于我們常見到計算機，量子計算機使用的是量子比特，它打破了這種0即1的限制。量子比特就像一個正在空中旋轉的硬幣，在它落地之前，你無法說它是正面還是反面，而是兩種可能性同時存在，這種狀態被稱為疊加態。

而更神奇的是量子糾纏，當你拋起兩個相距遙遠但互相糾纏的量子硬幣的其中一枚，無論相隔多遠，只要測量其中一個，則會立即影響另一個的測量結果，它們之間存在著超越經典物理的關聯性。這種奇異的聯系使得愛因斯坦也一直為之困惑。

這兩個特性結合起來，創造了量子計算的奇跡。舉個具體的例子：假設我們要在一個有1000扇門的迷宮中找到唯一的出口。傳統計算機只能一扇一扇地嘗試，最壞情況下要試1000次。。而量子計算機利用10個量子比特，約1024種狀態疊加，通過量子傅里葉變換并行性一次生成所有門的可能性云，再借量子干涉放大正確路徑信號，幾乎可以瞬間找到出口。

1981年，物理學巨匠理查德·費曼在一次演講中提出了一個大膽設想："自然不是經典的，如果你想模擬自然，最好使用量子力學。"他意識到，要真正模擬量子系統，我們需要一臺本身就遵循量子規律的計算機。38年后的2019年秋，谷歌宣布，其"懸鈴木"超導芯片完成53比特隨機電路采樣，宣稱"需要一萬年破解的難題，我們只需200秒。" 而僅在一年后的2020年冬，中科大的"九章"光量子計算機以76個光子打破紀錄——完成高斯玻色采樣只需200秒，而當時最快的超級計算機需要6億年，實現的特定任務速度更是較“懸鈴木”快100億倍。2021年"祖沖之二號"超導芯片再破紀錄，讓中國成為首個雙路線（光量子+超導）實現量子優越性的國家。

我們要知道，在超導量子計算這條技術路線上，每一個技術細節都影響著全局。量子比特不僅要在接近絕對零度（-273°C）的環境下工作，還需在如此極端的環境下精確控制每個量子比特的狀態。這種控制精度要求達到納秒級別——相當于在一秒鐘內精確控制10億次操作。從62比特的"祖沖之一號"到66比特的"祖沖之二號"，數字上看只增加了4個比特，但技術難度卻是幾何指數級增長，即2^4=16倍。如果搭過積木就能理解，每增加一層，保持整體穩定的難度卻是指數級增長。

"祖沖之二號"不僅做到了規模擴展，還將關鍵性能指標全面提升，比如在可編程性上的突破，使其能夠運行包括量子機器學習、量子化學模擬在內的多種算法，這為后續向百比特級別沖擊，也就是我們即將要介紹的祖沖之三號奠定了堅實基礎。

2025年3月，當《物理評論快報》將一張精密的量子芯片圖放上封面時，代表著中國的量子計算又一次改寫了歷史。這就是我們的"祖沖之三號"，一臺擁有105個量子比特的超導量子計算原型機。

剛才我們提到，從祖沖之一號到二號增加了四個比特，而從二號到三號，足足增加了39個。在量子世界里，這意味著計算空間從266擴展到2105，整整擴大了5500億倍。我們常用恒河沙數來形容數量之無盡，而根據推測計算，地球沙子總數約為7.36 × 102?粒，105比特具備的狀態數足囊括得下百萬個地球的沙?？偭俊?/p>

但擁有龐大的計算空間只是第一步，大而不精并非我們追求的，其實際運算能力仍需考驗。于是在隨機線路采樣任務上研究團隊設計了一個83比特、32層深度的量子線路，這可以說是迄今為止最復雜的量子計算任務了。而祖沖之三號完成100萬個樣本僅需幾百秒，若是交給傳統計算機，哪怕是世界赫赫有名的超算Frontier完成同樣任務需要幾十億年。要知道地球的年齡也不過45億年。當傳統計算機還在計算第一個樣本時，太陽可能已經熄滅，地球早已不復存在。值得一提的是，與谷歌2024年10月發布的最新成果相比，祖沖之三號的計算優勢提升了整整6個數量級。這不是簡單的性能提升，而是質的飛躍。

不能慶祝太早，還有一個問題沒有解決。當量子計算機完成了經典計算機無法完成的任務時，我們如何驗證結果的正確性？對于高斯玻色采樣，完全認證其輸出被強烈推測為經典計算所不可處理。于是

中科大團隊采用了分而治之策略，他們稱之為"片段電路"（patch circuits）方法。首先是切分電路：通過選擇性移除部分雙量子比特門，將復雜電路拆解成二分片或四分片。接著在31比特規模上進行系統驗證：對比分片電路與完整電路的保真度，發現四分片與完整電路的比值穩定在1.05?；谶@種高度一致性，當分片驗證全部通過，即可推定——83比特32周期的完整任務（保真度0.023%）必然由真實的量子計算完成。

祖沖之三號的出世代表了中國，乃至人類認知邊界能力的又一次拓展。從62比特到66比特，再到105比特；從微秒級的相干時間到99.9%的門保真度；從理論構想到工程實現，每一步跨越都凝聚著中國科學家的智慧與汗水。59億年的計算被壓縮到幾百秒，不可不謂為一種計算范式的革命。

從1981年費曼的預言到今天，量子計算走過了44年的征程。中國從追趕者成長為領跑者之一，在光量子和超導兩條技術路線上同時實現突破，在未來，在藥物研發領域，在材料科學中，在人工智能中..........我們有理由相信：量子計算不再是遙不可及的科幻，而是正在到來的現實。

參考文獻

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.

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

出品丨中國科協科普部

監制丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨蔡文垂 中國科學院大學博士研究生

審核丨張文卓 夸密量子CEO、前墨子號衛星團隊副研究員

來源: 科普中國創作培育計劃

內容資源由項目單位提供