【導語】2025年3月，中國科學技術大學潘建偉團隊研製的超導量子計算原型機“祖衝之三號”問世，集成105個高性能量子比特與182個耦合比特，不僅在特定任務上比全球最快超級計算機快千萬億倍，更首次跨越量子糾錯“盈虧平衡點”，實現“越糾越對”，為實用化容錯量子計算機打開大門。這一裏程碑成果，標誌著中國量子計算研究從(cóng)“算(suàn)力(lì)領(lǐng)先(xiān)”邁(mài)向(xiàng)“又(yòu)快(kuài)又(yòu)準(zhǔn)”的(de)新(xīn)紀(jì)元(yuán)。

眼(yǎn)前(qián)是(shì)一(yī)道(dào)公(gōng)認(rèn)的(de)世(shì)界(jiè)級(jí)難(nán)題(tí)：若(ruò)交(jiāo)給(gěi)當(dāng)今(jīn)最(zuì)快(kuài)的(de)超(chāo)級(jí)經(jīng)典(diǎn)計(jì)算(suàn)機(jī)，需(xū)要(yào)百(bǎi)萬(wàn)億(yì)年(nián)才(cái)能(néng)算(suàn)出(chū)答案。然而，就在一眨眼間，一台全新機器給出了精確結果——這並非科幻，而是剛剛發生的現實。

它就是由中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承誌等團隊聯合攻關研製出的超導量子計算原型機*祖衝之三號”。2025 年 3 月，他們將 105 個高性能量子比特與 182 個耦合比特集成到一塊指甲蓋大小的芯片上，正式宣告誕生。

這項裏程碑式成果首先以碾壓級速度刷新“量(liàng)子(zi)優(yōu)越(yuè)性(xìng)”紀錄：在特定任務上，它比全球最快的超級經典計算機快上千萬億倍。更令人振奮的是，它在量子計算的核心戰場“量子糾錯”取得了曆史性突破——首次跨越了夢寐(mèi)以(yǐ)求(qiú)的(de)“盈(yíng)虧平衡點”。

那麽，何謂“盈虧平衡點”？為何連期刊審稿人都認為這一工作“構建了目前最高水準的超導量子計算機”？那麽，就請各位讀者保持好奇心，來和糖心免费视频一同揭開這一突破的神秘麵紗吧！

量子“魔力”與守護神——

量子計算機與糾錯之戰

量子計算機被視為未來計算的“神器”，其核心在於利用量子力學的兩大特性——疊加與糾纏。經典比特非 0 即 1，如同單盞開關；而量子比特（Qubit）卻可以同時處於 0 和 1 的疊加態，如同能同時照亮兩種狀態的燈。當多個量子比特發生糾纏，它們的狀態便緊密關聯，形成一個龐大的並行計算空間。這使得量(liàng)子(zi)計(jì)算(suàn)機(jī)在(zài)處(chù)理(lǐ)某(mǒu)些(xiē)複(fù)雜(zá)問(wèn)題(tí)時(shí)，潛(qián)力(lì)遠(yuǎn)超(chāo)經(jīng)典(diǎn)計(jì)算(suàn)機(jī)。

量子比特的一般定義是兩級量子係統的量子態 圖源：Wikipedia

然而，承載這份“魔力”的量子態極其脆弱。環境中細微的(de)熱(rè)量(liàng)和(hé)噪(zào)聲(shēng)幹擾，都可能導致量子態“崩潰”並丟失信息，這種現象稱為“退相幹”。計算過程中的微小錯誤可能被迅速放大，導致結果完全錯誤。這成為阻礙量子計算機實用化的“阿喀琉斯之踵”。

量子糾錯（Quantum Error Correction, QEC）正是對抗這一弱點的“守護神”，其目標並非徹底消除物理錯誤（這近乎不可能），而是通過“冗餘備份”和“主動修複”策略，構建更穩定、抗錯(cuò)的(de)堡(bǎo)壘(lěi)——邏輯量子(zi)比(bǐ)特(tè)（Logical Qubit）。

簡言之，就是將一份量子信息巧妙地分布(bù)式(shì)存(cún)儲(chǔ)在(zài)多(duō)個(gè)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子比特的(de)關聯(lián)狀態中。即使其中(zhōng)一(yī)兩(liǎng)個(gè)物(wù)理(lǐ)比特出錯，通過周期性的“體檢”（測量特定關聯信息）和“治療”（糾錯操作(zuò)），也(yě)能發現並(bìng)修(xiū)複(fù)錯誤，保護邏輯比特中的核心信息。

但(dàn)是，量子糾錯本身並非免費，它需要引入額外的量子比特（輔助比特）和複雜的量子門操作。不幸的是，這些操作本身也不完美，會引入新的錯誤！這就導致了一個根本困境：如果糾錯過程引入的錯誤（“成本”）超過了它能修複的錯誤（“收益”），那麽糾錯就變成了淨虧損，得不償失。因此，實現“盈虧平衡點”即糾錯帶來的淨收益大於零——成為整個量子計算領域公認的、通往實用化道路上的最關鍵裏程碑之一。

跨越生死線——

邏輯比特的勝利與“越糾越對”

想要更好地理解“祖衝之三號”在糾錯上的突破，糖心免费视频首先需要區分兩種量子比特：

一種是物理量子比特（Physical Qubit）：構成量子計算機硬件的最基本單元（如“祖衝之三號”芯片上的超導量子比特）。它們直接暴露在外界噪聲環境中，如同無盔甲的戰士，極易出錯，能保持量子態的時間（相幹時間）很短。

另一種是邏輯量子比特（Logical Qubit）：由多個物理量子比特通過特定量子糾錯碼（如本次實驗采用的“表麵碼”）編碼組合而成的受保護“團隊”。量子信息分布式存儲於團隊的“集體狀態”中。團隊通過成員間的相互監督與協作（糾錯操作），保護核心信息安全，即使個別成員出錯。

盈虧平衡點的核心判據在於：邏輯比特“團隊”的有效壽命（邏輯相幹時間），是否超過了構成該團隊的所有物理比特“成員”中，最易出錯(cuò)的(de)那(nà)個(gè)成(chéng)員(yuán)的(de)原(yuán)始(shǐ)壽(shòu)命(mìng)（物(wù)理(lǐ)相(xiāng)幹(gàn)時(shí)間(jiān)）。

如(rú)果(guǒ)未(wèi)達(dá)平(píng)衡(héng)點，即邏輯團隊壽命短於最差成員原始壽命，就說明糾錯淨虧損（團隊協作反而加速失敗）。而如果達到平衡點，即邏輯團隊壽命超過最差成員原始壽命，就表明糾錯淨收益（團隊協作有效延長了信息壽命）！

“祖衝之三號”平台實現的，正是這一期盼已久的裏程碑！研究團隊在該先進係統上精心設計並實施了複雜的量子糾錯方案。實驗結果確鑿無疑：他們首次在超導量子計算體係中，清晰觀測到邏輯量子比特的相幹時間，明確超過了其編碼中所有物理量子比特中最短的那個的相幹時間！

“祖衝之三號”超導量子計算原型機的示意圖 圖源：中國科學技術大學

這如同經營一家小店，需要權(quán)衡(héng)投(tóu)入和產出。其中，支出（成本）包含雇傭店員（輔助(zhù)比(bǐ)特(tè)）、運(yùn)營管理（糾錯操作），這些都會消耗資源（引入錯誤）。收(shōu)入(rù)（收(shōu)益(yì)）來(lái)自通過運(yùn)營(yíng)管(guǎn)理(lǐ)（糾(jiū)錯），防止貨物損壞（糾正物理比特錯誤），實現銷售（保護信息）。

長久以來，小店入不敷出（支出>收入）。而“祖衝之三號”的實驗證明，小店終於開始盈利（收入>支出）！或者說，給珍貴信息穿上“防護服”（糾錯編碼）後，防護服非但未因自身快速損耗（糾錯操作錯誤）而失效，反而讓內部信息比僅靠最差物理比特“裸奔”時存活得更久！

這一突破的劃時代意義(yì)在(zài)於(yú)：它(tā)從實驗上確鑿證明了量子糾錯能帶來淨的保護增益，實現了“越糾越對”！這驗證了量子糾錯理論的基石，掃除了通向實用化量子計算機道路上的根本性疑慮。它標誌著人類在保護脆弱量子信息、實現長時間可靠計算的征途中，跨越了最具象征意義的“生死線”，為未來構建真正容錯的量子計算機（即使部分硬件出錯，整體計算依然正確）打開了核心大門。

算力巔峰：玻色采樣再證量子優越性

“祖衝之三號”不僅是一個精密的糾錯研究平台，其本身也是一個世界頂尖的超導量子計算引擎，105 個高性能量子比特賦予了它強大的並行計算能力。

為了充分展示其澎湃算力，研究人員利用“祖衝之三號”執行了一項對經典計算機而言極其艱巨的任務——高斯玻色采樣（Gaussian Boson Sampling, GBS）。這類問題的核心是模擬光量子（玻色子）在複雜線性光學網絡中傳播和幹涉後的概率分布。其計算難度會隨著問題規模（光子數、模式數）指數級爆炸式增長，是驗證量子計算優越性的經典任務之一。經典超級計算機麵對稍大規模的高斯玻色采樣，所需計算時間將變得無比漫長甚至不可能完成，而量子計算機則能相對高效地模擬其核心過程。

高斯玻色采樣實驗中時間複雜度的演變趨勢。其中，SYC 和 ZCZ 分別代表穀歌Sycamore係列超導量子處理器和中科大“祖衝之”係列超導量子處理器。 圖源：參考文獻[1]

“祖衝之三號”交出的答卷令人震撼：它在執行特定規模的高斯玻色取樣任務時，速度比當今全球最快的經典超級計算機快了整整 15 個數量級（即一千萬億倍）！這不僅是“祖衝之”係列量子處理器算力的又一次巨大飛躍，更是在超導量子計算體係上以無可爭議的優勢再次實現了“量子計算優越性”（Quantum Computational Advantage/Supremacy）。這意味著在解決這類特定複雜問題上，“祖衝之三號”展現出了所有經典計算機都無法企及的處理速度，如同一輛超級跑車將自行車遠遠甩在身後。

結語——國際量子年的中國裏程碑，

未來之路在糾錯

“祖衝之三號”的成功，是中國量子科技在 2025 年聯合國教科文組織指定的國際量子年結出的雙生碩果，意義深遠：

首先，它樹立了量子糾錯領域的裏程碑。這項突破首次跨越量子糾錯的盈虧平衡點，實現“越糾越對”，驗證了容錯量子計算的可行性根基。這不僅是超導量子計算的突破，更是整個量子信息科學領域的重大進展。

其次，它再次證明了我國量子計算的優越性。以 105 比特規模和 15 個數量級的性能優勢，“祖衝之三號”再次刷新並鞏固了我國在超導量子計算領域的世界領先地位，彰顯了強大的工程實現能力。

量(liàng)子(zi)計(jì)算的三個發展階段 圖源：騰訊量子實驗室值此國際量子年，“祖衝之三號”的雙突破，是中國為全球量子科技發展獻上的厚禮。它清晰標注了量子計算發展的關鍵坐標：從演示量子優越性的算力巔峰，到攻克量子糾錯的可靠性基石。這標誌著量子計算研究正從“證明我能行”的階段，邁向“又快又準”的新紀元。

參考文獻

[1]Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

[2]Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[3]Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180501.

[4]Zhu Q, Cao S, Chen F, et al. Quantum computational advantage via 60-qubit 24-cycle random circuit sampling[J]. Science bulletin, 2022, 67(3): 240-245.