一款新型的高性能量子处理器拥有105个超导量子比特，可以与广受好评的谷歌“柳木”处理器相媲美。
在探索实用量子计算机的过程中，人们发现，基于超导量子比特的处理器尤其大有可为。这类设备既可编程又能纠错。2024年12月，美国加利福尼亚州谷歌量子人工智能团队的研究人员公布了一款名为柳木（Willow）的105量子比特超导处理器。如今，中国科学技术大学的潘建伟团队也展示了他们自己的105量子比特处理器，祖冲之三号（图1）。这两款处理器性能相当。
图1 装有“祖冲之三号”处理器的低温恒温器
量子优势（量子计算优越性）指的是量子计算机在执行特定任务时，速度比最强大的非量子计算机或经典计算机更快。用于此目的的标准测试任务称为随机线路采样，其工作原理如下：量子计算机对一组量子比特施加一系列随机排序的操作，该序列称为随机线路，随机线路以一种独特而复杂的方式转换量子比特。随后，计算机测量量子比特的最终状态，并用不同的随机线路多次重复这个过程，从而记录下最终的量子比特状态的概率分布。
对于经典计算机而言，等价的问题是通过计算量子比特的最终状态转换来模拟这一概率分布。然而，这一任务对经典计算机过于复杂，实际上无法完成。取而代之的是，研究人员通常会基于对当前最优模拟方法及其所需资源（尤其是运行时间）的合理假设，来推测经典计算机模拟该任务的难度——不过，这种假设可能存在一定争议。
2021年，潘建伟团队利用随机线路采样，声称他们原创的祖冲之处理器实现了量子优势。该处理器以中国古代博学家祖冲之命名，他在公元5世纪计算出了精确度破纪录的圆周率。最初的祖冲之处理器包含66个可读取量子比特和110个耦合量子比特，研究团队对其中一个包含56个量子比特的子集执行了多达20层逻辑周期的随机线路采样，周期数是用来衡量量子比特运算复杂度的指标。研究人员得出结论：他们的56量子比特系统在随机线路采样任务上优于谷歌2019年公布的53量子比特超导处理器“悬铃木”。此后，潘建伟团队与谷歌之间展开了一场激烈的竞赛，双方都致力于构建规模更大、质量更高的超导处理器。
谷歌2024年12月发布的105量子比特“柳木”处理器赢得了广泛赞誉，不仅是因为它拥有出色的质量和规模，还因为它能够承载低于阈值的表面码存储器（一种可用于容错量子计算的存储器）。而如今，潘建伟团队推出了祖冲之三号，该处理器包含105个可读取的量子比特，以15×7的阵列排列，并配备182个耦合量子比特。在测试该设备时，研究人员对包含83个量子比特的子集进行了32层逻辑周期的随机线路采样。他们测算出，即使是最强大的经典计算机，也需要数十亿年的运行时间才能模拟该量子处理器仅用100秒生成的概率分布。这一性能比谷歌此前的67量子比特和70量子比特悬铃木处理器（柳木的前身）高出多个数量级。
虽然祖冲之三号和柳木都执行了随机线路采样任务，但由于任务复杂度不同，并不能直接比较两者的性能。一篇谷歌的博客文章称，对柳木的基准测试表明，当今最快的经典计算机需要1025年才能模拟柳木在5分钟内生成的结果。不过，这两款量子处理器的核心参数还是可以比较的，例如全球量子情报公司（GQI）在《量子计算报告》中给出的对比表格。该表列出了以下参数的平均值：量子比特连通性、自发辐射率、退相干率（自发辐射率和退相干率是两种可能导致错误的量子比特效应）、单量子比特和双量子比特逻辑门的保真度、量子比特读出保真度以及这些逻辑门的时间延迟量。
根据该表，柳木和祖冲之三号的平均量子比特连通性不相上下，在其他指标上，柳木则略占优势。不过，这场竞赛尚未结束，这些结果仅是两支团队在当前阶段的对比缩影，双方的差距也并不显著。
图2 潘建伟团队展示的祖冲之三号量子处理器示意图
潘建伟团队详细描述了他们在实现高性能量子处理器过程中克服的挑战。其中，他们所取得的关键突破在于提高了相干时间，即量子比特维持其脆弱量子态的持续时间。研究团队通过优化描述设备电容和超导电感的参数，减少了电荷和磁通噪声，从而延长了相干时间。此外，研究人员还重新设计了量子比特电容垫以减少能量损耗，升级了布线以尽量减少室温电子设备产生的噪声，并将两块基板结合，以延长量子比特的弛豫时间和退相干时间。
由于复杂的地缘政治背景，这场关于大规模超导量子计算的竞赛变得更加引人关注。量子计算被视为一种新兴的双用途技术，这意味着它的发展及应用（尽管目前尚未实现，且在很大程度上难以预测）可以同时供民用和军用。在这一背景下，国际上的讨论已导致相关措施出台，对能够以低错误率处理34量子比特信息的量子计算机及其关键组件施行出口限制。然而，从潘建伟团队和谷歌的实验结果来看，即使在这些限制措施之下，受地缘政治影响的竞争者仍处于势均力敌的较量之中。
资料来源Physics
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本文作者巴里·桑德斯（Barry Sanders）拥有加拿大卡尔加里大学理学学士学位、伦敦大学博士学位以及伦敦帝国理工学院的理学博士学位。他的研究重点是量子科学。他是卡尔加里大学量子科技中心“量子城”的科学主管，创新颠覆实验室多伦多大学分部和卡尔加里大学分部的导师，加拿大深科技组织的董事会主席，欧洲核子研究中心开放量子研究所和谷歌量子计算XPRIZE基金会的顾问。他也是美国物理学会、英国物理学会、美国光学学会和加拿大皇家学会的成员