近日，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志等，與上海量子科學研究中心、河南省量子信息與量子密碼重點實驗室、中國計量科學研究院、濟南量子技術研究院、西安電子科技大學微電子學院以及中國科學院理論物理研究所等單位合作，在超導量子計算領域取得重大突破，成功構建了具有105量子比特的祖沖之三號超導量子計算原型機，并通過隨機線路采樣（RCS）實驗再次刷新量子計算優越性記錄。該成果于2025年3月3日以封面論文的形式正式發表于國際權威物理期刊《Physics Review Letter》[1]，標志著我國在量子計算領域的國際領先地位進一步鞏固。

2019年，谷歌首次實現量子優越性，讓量子計算從理論走向現實[2]；2024年，谷歌在進一步在Nature上發布了新的量子計算優越性成果[3]。而中國“祖沖之號”系列超導量子計算機也在持續突破。此次發布的祖沖之三號，以83個超導量子比特的規模、99.6%的雙比特門保真度 ，運行了量子隨機線路采樣實驗。其僅需運行幾百秒完成的任務，如果交由最快的經典計算機，則需要10^9年才能完成 ，再次超越了谷歌去年發布在Nature上的結果，向世界證明了量子計算的顛覆性潛力，鞏固了中國在這一領域的領先地位。

▲圖1：量子隨機線路采樣實驗進展

量子隨機線路采樣實驗：量子計算機的“極限跑分”

有關此前谷歌量子芯片以及這次祖沖之三號，都繞不開的一個話題就是量子隨機線路采樣。那么到底什么是量子隨機路采樣呢？為什么量子優越性實驗總是圍繞它展開的呢？

量子隨機線路采樣（RCS實驗）本質上是個「暴力測試」——就像你突然想驗證計算器靠不靠譜，于是瘋狂亂按：先按999次開根號，再乘以π的100次方，最后加上隨機生成的1000位數... 如果計算器秒出結果且答案正確，那絕對是真·硬核神器！

科學家們給量子計算機出的題也是這個套路：把幾百上千個量子門（相當于計算器上的加減乘除鍵）隨機組合成超復雜線路，讓量子比特們「噼里啪啦」一頓操作。關鍵點在于：這道題必須難到經典計算機算到冒煙都出不來結果，但量子計算機卻能光速交卷！那么在這么一類特定問題上，量子計算機展示出的遠超經典計算機的能力，就是所謂的量子優越性。

量子計算機的“考卷”怎么打分？

量子隨機線路采樣實驗最終產生的會是大量01串，那么面對海量的數據結果，我們要怎么衡量這些結果的正確度如何呢？這里有個巧妙的點：根據隨機線路采樣理論，通過量子隨機線路輸出的結果會形成特定的PT分布，而這種分布的性質提供了叫做”交叉熵”的工具，可以用來衡量兩個PT分布之間的接近程度。科學家們就像拿著標準答案的老師，用「交叉熵」這把尺子，量一量量子計算機和經典計算機的答案與標準答案有多接近——這就是線路保真度。說人話就是：如果量子計算機亂蒙答案，保真度直接零分；要是完美計算得到標準答案，那就是滿分100%！

但是，這道“考題”的復雜度堪稱地獄級：祖沖之三號量子計算機在這一問題上的運算速度比目前最快超級計算機Frontier快15個數量級，經典計算機根本不可能在有限時間內算出完整答案！于是科學家祭出絕招——“四道大題拆分法”：把整張考卷拆成四部分，讓經典計算機只算每道大題的“參考答案”，分別檢查量子計算機，再像拼樂高一樣把各題得分拼成總分。

▲表1：估計不同實驗的經典計算成本。

拆開考卷打分靠譜嗎？也有部分學者擔心這是“管中窺豹”。為此研究團隊花了大量的時間和精力做了雙重驗證：當題目簡單到經典計算機也能完成時，拆分打分和整體打分的成績完全一致！這就堵住了邏輯漏洞（總不能一邊說量子計算機碾壓經典計算機，一邊又靠它來驗證對錯吧？），讓量子優越性的結論穩穩立住了腳跟。

▲圖2：圖a展示的是此次105比特祖三芯片用到的83個比特的拓撲連接情況。圖b和圖c則分別是31 個量子比特和 83 個量子比特的量子隨機線路采樣實驗的保真度，隨著線路深度增加的變化。其中圖b出現的full和4-patch標注，指的就是分別按照“整體打分”和“拆分打分”的結果，在31比特的規模上，兩種方式的結果是吻合的。而圖c展示的則是當問題規模增長到83比特時，只能用“拆分打分”后評估的結果。

為何執著于量子隨機線路采樣？

量子隨機線路采樣（RCS）實驗堪稱量子計算界的“極限性能測試”。這一實驗范式始于2019年谷歌實現量子霸權的里程碑式突破，此后便成為衡量量子計算機綜合性能的“黃金標尺”——它不僅要求量子比特數量足夠多，更對量子門操控精度（保真度）、系統穩定性（退相干時間）等核心指標提出嚴苛挑戰。中科大團隊于2021年憑借“祖沖之二號”實現反超[4]，2024年谷歌通過懸鈴木芯片再度刷新紀錄，而同年年底“祖沖之三號”以更優性能重奪領先地位。這場中美頂尖團隊的“RCS拉鋸戰”，本質上是量子計算硬件能力的巔峰對決。

正如“祖沖之號”總設計師朱曉波教授所言：如果一個量子計算機連量子優越性都無法完成，那么在這臺量子計算機上就不可能運行任何有實用價值的算法。這一論斷揭示了RCS作為量子計算“基本功”的核心地位：它如同體操比賽中的規定動作，要求量子計算機在隨機生成的復雜線路中保持超高精度，而任何細微的操作誤差都會隨著線路深度的增長被指數級放大。截至目前，全球僅有谷歌和中科大團隊成功跨越這一技術門檻。

超導量子計算的“中國路徑”

其實，祖沖之三號除了本次公開發表的在量子隨機線路采樣實驗上的突破，在量子糾錯任務上也取得了初步的進展。這些突破絕非偶然，其背后是一套瞄準“自主可控”的核心技術體系：

1. 高精度量子操控：通過三維集成封裝技術與低溫控制優化，量子比特平均相干時間提升至 72微秒，并行單比特門保真度達到99.90%，并行兩比特門保真度達到99.62%，并行讀取保真度達到99.13%；

2. 高效糾錯潛力：盡管尚未實現完整量子糾錯，芯片設計已經兼容了表面碼拓撲結構——這種類似棋盤格子的糾錯編碼方案。目前可以團隊正在針對d=7的量子糾錯表面碼展開實驗，為跨越“糾錯盈虧點”而努力；

3. 全鏈條自主可控 ：面對復雜國際環境，我國科研團隊以“集中力量辦大事”的體制攻堅關鍵核心技術，已實現包括極低溫制冷、量子測控系統等核心部件的100%國產化，并建立起覆蓋設計-制備-封裝-測試的全流程工藝體系。這一突破標志著超導量子計算產業鏈的自主底座日趨完善，為后續技術迭代筑牢根基。

▲圖3：中國科大團隊自主研發的超導量子計算機

量子計算的未來：一場靜默的革命

量子優越性實驗常被質疑“實用性不足”，核心論據在于，其實現的計算并不是我們需要解決的實際問題，更多的是一個“跑分測試”。但實際上，其意義遠超實驗本身——它驗證了以量子力學為基礎的量子計算的正確性，更打開了新世界的大門，是走向實用量子計算的必經之路。

從“九章”光量子計算機到“祖沖之號”超導量子計算體系，中國正以多技術路線并進的姿態，邁向“量子稱霸”的終極目標。潘建偉院士曾表示：“量子信息技術還需要長期的發展，一個積極、理性且促進合作的環境是必要的。”第二次量子革命需要耐心，而祖沖之三號的里程碑，或許只是這場靜默革命的序章。

參考文獻

[1].Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor（）

[2].Arute, F. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature (2019). (）

[3].Morvan, A. et al. Phase transitions in random circuit sampling. Nature (2024). ()

[4].Wu, Y. et al. Strong Quantum Computational Advantage Using a Superconducting Quantum Processor. Phys. Rev. Lett. (2021). ()