2024年最后一個月，谷歌和中國科學技術(shù)大學先后發(fā)布105比特的超導量子芯片，再度點燃了產(chǎn)業(yè)界對量子計算的熱情。

谷歌團隊基于量子處理器Willow，破解了困擾量子糾錯領域近30年的關(guān)鍵問題，使量子糾錯能夠隨著量子比特數(shù)的增加“越糾越對”，還在5分鐘內(nèi)完成了當前最強大的超級計算機之一需要10的25次方年（比宇宙年齡還長）才能完成的計算任務(詳見《馬斯克、奧特曼點贊，谷歌量子芯片有多強？》)。

中國科大團隊基于量子處理器“祖沖之三號”， 實現(xiàn)了比谷歌（SYC-67和SYC-70實驗）更大規(guī)模的隨機電路采樣，經(jīng)典模擬成本（經(jīng)典計算機模擬該任務的成本）提升了6個數(shù)量級，樹立了量子計算優(yōu)勢的新基準。

在電路規(guī)模、糾錯效率、保真度、相干時間、處理能力上，量子芯片都取得了新的進展。

更大規(guī)模的量子電路

基于“祖沖之三號”量子處理器，中國科大團隊實現(xiàn)了比谷歌上一代量子處理器“懸鈴木”更大規(guī)模的隨機電路采樣，推高了當前量子硬件功能的上限。

在基于“祖沖之三號”的隨機電路采樣實驗中，中國科大團隊構(gòu)建了32次循環(huán)、83個量子比特的隨機量子電路。此前，最大規(guī)模的隨機量子電路由谷歌基于“懸鈴木”處理器實現(xiàn)，包括32次循環(huán)、67 個量子比特的SYC-67實驗和24次循環(huán)、70 個量子比特的SYC-70實驗。

除了使用更多量子比特，中國科大團隊的隨機量子電路還追平了谷歌的循環(huán)數(shù)。循環(huán)數(shù)指線路深度，每一個循環(huán)包含單量子比特門和雙量子比特門各一層。循環(huán)次數(shù)的增加，意味著能夠?qū)崿F(xiàn)更大的量子電路體積。

量子糾錯新突破

由于量子比特容易受到環(huán)境中的噪聲和干擾，變得不穩(wěn)定，遠高于經(jīng)典計算的錯誤率就成為量子計算的一大挑戰(zhàn)。1995年，麻省理工學院應用數(shù)學教授彼得·肖爾（Peter Shor）提出量子糾錯理論，將多個物理量子比特編碼為邏輯量子比特，基于兩者的映射關(guān)系來檢測并糾正錯誤。

在量子糾錯的過程中，增加物理量子比特的數(shù)量能夠提升對物理錯誤的抑制能力，但也會導致錯誤的增加。因而，錯誤必須足夠稀疏，才能使量子計算的邏輯性能隨著編碼規(guī)模的擴大而增強。

2024年12月，谷歌量子AI團隊發(fā)布了一項基于Willow的突破性進展：隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率降低，使量子糾錯“越糾越對”。

在基于Willow的量子糾錯實驗中，邏輯量子比特以低于量子糾錯閾值的錯誤率運行。谷歌團隊測試了表面碼碼距為3、5和7的物理量子比特陣列，錯誤率隨著碼距增加依次減半。

國盾量子云平臺負責人儲文皓向《中國電子報》記者表示，低于閾值的量子糾錯，為量子計算芯片的Scaling Law（縮放定律）奠定了基礎，只要產(chǎn)業(yè)界能通過工藝技術(shù)集成更多的量子比特，并提升量子計算機整機的工程化規(guī)模，就能夠?qū)崿F(xiàn)碼距為9、碼距為11，甚至碼距為2n+1的大規(guī)模糾錯結(jié)構(gòu)，且糾錯效率、保真度以及量子比特壽命都將隨之提升。

正確率提升

在量子計算測試中，祖沖之三號和Willow都實現(xiàn)了高保真度。

祖沖之三號單比特門、雙比特門和讀出保真度分別為 99.90%、99.62% 和 99.18%。

在量子糾錯測試中，谷歌Willow單比特門、雙比特門、讀取錯誤率的中位數(shù)分別為0.035%、0.33%和0.77%，也就是保真度中位數(shù)分別為99.97%、99.67%和99.23%；在RCS基準測試中的單比特門、雙比特門、讀取錯誤率中位數(shù)分別為0.036%、0.14%和0.67%，也就是保真度中位數(shù)分別為99.96%、99.86%和99.33%。

據(jù)儲文皓介紹，量子保真度分為讀取保真度、單比特門保真度、雙比特門保真度，指代的是在量子計算中，對于單個或多個量子比特進行同時操作以及整體讀取時的正確率。保真度越高，對量子比特的操控和讀取就越準確。

相干時間延長

另一個重要進展是相干時間的延長。祖沖之三號的能量弛豫時間（T1）和相位弛豫時間（T2）分別提升至72μs和58μs。Willow的T1時間提升至100μs，是上一代懸鈴木處理器的5倍。

相干時間是比特能夠維持量子狀態(tài)的時間，相干時間結(jié)束后，量子比特會坍縮，無法再執(zhí)行計算。更長的相干時間意味著量子能夠維持更長時間的疊加態(tài)，完成更多計算。

據(jù)國儀量子介紹，T1時間和T2時間是相干時間的兩個主要參數(shù)。T1時間是量子比特從高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）返回到低能態(tài)的時間，類比經(jīng)典計算就是經(jīng)典比特從1變回0的時間；T2時間是量子比特在疊加態(tài)中保持相位信息的時間，T2時間結(jié)束后，量子比特會丟失所攜帶的信息。較長的T1和T2時間，使量子比特可以在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定的狀態(tài)，從而提高計算的準確性和可靠性。

更強的處理能力

基于量子比特規(guī)模的增加、操作保真度的提升、相干時間的延長以及工藝技術(shù)的改善，Willow和祖沖之三號在隨機電路采樣（RCS）基準測試中，都展現(xiàn)出較上一代量子處理器的更好成績，進一步展現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性。

Willow在5分鐘內(nèi)，完成了當前最強大的超級計算機需要10的25次方年（比宇宙年齡還長）才能完成的計算任務。

祖沖之三號在幾百秒內(nèi)實現(xiàn)了對100 萬個樣本的采樣，同等任務需要經(jīng)典超級計算機Frontier大約 6.4×10的9次方年才能復制，經(jīng)典模擬成本（經(jīng)典計算機模擬該任務的成本）較谷歌的 SYC-67 和 SYC-70 實驗提升了6個數(shù)量級，樹立了量子計算優(yōu)勢的新基準。

2025年被寄予厚望

2025年，被聯(lián)合國定為“量子科學與技術(shù)之年”。產(chǎn)業(yè)界有望在2025年看到更大量子比特規(guī)模的量子處理器及其工程化集成系統(tǒng)。按照量子計算路線圖，谷歌將在2025年之后實現(xiàn)其“6個里程碑”的第3個，即構(gòu)建1000物理量子比特的量子計算機，并編碼一個長壽命的邏輯量子比特。IBM將在2025年發(fā)布包含1386量子比特、具有量子通信鏈路的多芯片處理器“Kookaburra”。作為演示，IBM會將三個Kookaburra芯片接入一個包含4158量子比特的系統(tǒng)中。

在谷歌圍繞“具備糾錯能力的實用量子計算機”設計的路線圖中，每一個里程碑的實現(xiàn)，都會將物理量子比特的數(shù)量提升10倍。如果芯片工藝能夠匹配量子計算的腳步，量子芯片或?qū)⒂瓉碜约旱摹澳柖伞薄?/p>

“最重要的是如何基于現(xiàn)有的芯片技術(shù)、芯片產(chǎn)業(yè)，去做好量子計算芯片在未來5到10年內(nèi)的Scaling（擴展）。無論是把它的設計方案進一步精進，減少芯片制造過程中的薄膜缺陷、電路差損等問題；還是更好地嵌入現(xiàn)有的微納加工工藝，在更微縮的制程上實現(xiàn)芯片的制備和表征；以及更好地實現(xiàn)封裝工藝或者更底層技術(shù)范式的革新?！眱ξ酿└嬖V《中國電子報》記者。

除了量子芯片，超導量子計算系統(tǒng)還包括低溫組件、包含稀釋制冷機的極低溫極低噪聲平臺、室溫端電子學測控系統(tǒng)、操控軟件及系統(tǒng)等。儲文皓表示，更大規(guī)模的稀釋制冷機、更低溫的射頻電子學設備和傳輸設備，以及更加高效智能的基礎軟件，將與量子芯片的迭代一起，推動量子計算的創(chuàng)新發(fā)展。

責任編輯：趙強