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这个12月，值得关注的不仅有此起彼伏的AI技术秀，在硬核的量子计算领域也发生了一件大事。12月9日，谷歌发布最新一代量子芯片Willow，据称是克服了近30年来量子纠错领域的关键挑战，能用不到5分钟时间完成一个超级计算机需要10^25年才能完成的标准基准计算，参数令人惊叹。就在谷歌量子团队发布Willow后不久，12月16日，包括潘建伟、朱晓波等一大批科学家在内的联合量子计算科研团队在arXiv上提交了一篇重磅论文：“Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor”（105量子比特“祖冲之3.0”处理器树立量子计算优越性新标杆）。据了解，祖冲之3.0处理器在性能指标上超过谷歌上一代72比特“悬铃木”处理器（2024年10月发表于《自然》期刊）6个数量级，性能与最新的Willow旗鼓相当，中、美团队在量子计算塔尖上再次相见。
据论文概要介绍，祖冲之3.0超导量子计算机原型由105个量子比特组成，实现了高操作保真度，单量子比特门、双量子比特门和读出保真度分别为99.90%、99.62%和99.18%。研究人员在祖冲之3.0上进行的83量子比特、32周期随机电路采样实验突显了其卓越性能，在短短几百秒内实现了100万个样本。而据估计，这项任务在最强大的经典超级计算机Frontier上需要大约6.4×10^9年时间才能完成这项任务。处理能力的飞跃使经典模拟的效率比谷歌的SYC-67和SYC-70实验高出6个数量级，为量子计算优势确立了新的基准。图a示意该器件由两个采用倒装芯片技术集成的蓝宝石芯片组成，一个芯片集成了105个量子位和182个耦合器，而另一个芯片则集成了所有控制线和读出谐振器；图b则是量子比特和耦合器的拓扑图，深灰色表示量子比特，浅蓝色表示耦合器；图c展示通过耦合器耦合的两个量子位的简化电路示意图。据论文介绍，祖冲之3.0量子处理器最重要的进步之一是相干时间的提高。在量子力学中，相干时间通常与量子系统在退相干发生和量子特性因与环境相互作用而丧失之前保持状态叠加的持续时间有关。相干时间是量子计算和量子信息处理中的一个关键因素，保持微妙的量子态对于执行复杂计算至关重要。研发团队取得的成果是量子弛豫时间提高到72μs，退相位时间提高到58μs。另一项重大进步则是读取性能。经过团队优化，83个量子位的平均读出误差被抑制到0.82%。
量子位读取误差越小，意味着量子计算的结果越准确、可靠。近年来，量子计算领域的研究人员一直在努力开发更精确的量子位读取技术，以推动量子计算走向实际应用。祖冲之3.0处理器的论文一经发表，想必很多人会好奇它和谷歌Willow如果PK起来孰强孰弱？很遗憾的是，量子计算跟传统芯片的评测对比还是有很大差异，由于目前公开出来的信息在一些关键技术细节层面并未完全公开透明，而且它们的侧重点有所不同，所以简单地说哪个“更强”是不严谨的。![]()
只能说，它们都是量子计算领域的重大突破，代表了各自团队的最高水平。祖冲之3.0在展示量子计算优越性方面取得了显著成果，并在提升量子比特性能和读取性能方面做出了重要改进；谷歌Willow则更侧重于量子纠错方面的研究，为构建容错量子计算机奠定了基础。谷歌在发布Willow时贴出一张该芯片多项指标上的性能参数，侧重展示了芯片在在随机电路采样任务和量子纠错方面的性能。![]()
其中，高量子比特数和高连接度表明Willow具备强大的计算能力，而低量子门误差和测量误差表明Willow的量子操作非常精确以及有十分高效的纠错机制。可以说，自量子计算概念诞生起，量子计算在某些特殊计算任务上完虐超算不是什么新鲜事，重点是谷歌在《nature》发表的文章：Quantum error correction below the surface code threshold（低于表面码阈值的量子纠错），Willow实现的量子纠错巨大改进，才是其真正值得关注的亮点。![]()
那么量子纠错改进跟祖冲之3.0提到的量子计算优越性之间又存在什么关系呢？举个简单例子，如果将量子计算机比作一艘航行在量子海洋中的船，量子纠错就是这艘船上的导航系统和维修工具。没有导航系统，船很容易迷失方向；没有维修工具，船很容易损坏。只有当导航系统足够精确，维修工具足够高效时，这艘船才能安全地航行到目的地。量子计算优越性和量子纠错之间是相辅相成的，二者共同构成了量子计算研究的核心。量子比特的脆弱性：量子比特非常容易受到环境噪声的影响，如果不进行纠错，量子信息很快就会丢失，量子计算将无法进行。错误累积：随着量子电路深度的增加，错误会迅速累积，最终导致计算结果不可靠。容错量子计算：量子纠错是实现容错量子计算的基础，只有通过有效的量子纠错，才能构建大规模的、可编程的量子计算机，从而实现真正的量子计算优势。![]()
对量子纠错的需求：量子计算优越性的实现，对量子纠错提出了更高的要求，促使研究人员不断开发新的纠错技术。推动量子纠错技术的应用：量子计算优越性的实验验证，为量子纠错技术的实际应用提供了有力支持。基于以上对量子纠错和量子计算优越性关系的认知，其实不难明白，既然我们能拿得出祖冲之3.0处理器，那意味着在量子纠错方面的水平同样不弱。援引央妈从中国科学技术大学获悉的消息，谷歌Willow实现了码距为3、5和7的表面码逻辑比特并显著地降低了逻辑比特的错误率，从原理上验证了表面码方案的扩展性，而祖冲之3.0的幕后团队正计划在未来数月内实现码距为7的表面码逻辑比特，并进一步将码距扩展到9和11，实现大规模量子比特的集成和操纵将不在是梦。![]()
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