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【导语】2025年3月3日，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波团队研发的105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”登上国际顶尖期刊《物理评论快报》封面，引发全球物理学界轰动。这一(yī)成(chéng)果(guǒ)不(bù)仅(jǐn)标(biāo)志(zhì)着(zhe)中(zhōng)国(guó)在(zài)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)领(lǐng)域取(qǔ)得(de)重(zhòng)大(dà)突(tū)破(pò)，更(gèng)预(yù)示(shì)着(zhe)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)革(gé)命(mìng)的(de)到(dào)来(lái)。从(cóng)基(jī)础(chǔ)概(gài)念(niàn)到(dào)技(jì)术(shù)实(shí)现(xiàn)，本(běn)文将(jiāng)带您深入了解量子计算的奥秘，以及“祖冲之三号”如何引领人类认知边界的新拓展。

2025年3月3日，国际顶尖期刊《物理评论快报》的封面被一张精密芯片示意图占据---由中国科学技术大学潘建伟、朱晓波团队领衔研制的105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”。论文发表的瞬间，引起全球物理学界为之震动关注：审稿人评价其“构建了目前最高水准的超导量子计算机”，美国物理学会更同步刊发专文解析其突破性意义。在了解为什么祖冲之三号会给全世界带来如此大的震撼之前，我们需要先聊一聊什么是量子计算，祖冲之三号又把量子计算进行到了哪个程度。

想要理解量子计算的强大，我们先从最基础的单位说起。你正在使用的手机或电脑里，无论是文字、图片还是视频，所有的信息最终都被转换成了无数个0和1的(de)组(zǔ)合(hé)。这(zhè)个0或1，就是传统计算的基本单位，叫做比特（bit）。就像开关一样，要么开（1），要么关（0），非此即彼。

举个最简单的例子：用两个比特（两个0/1的位置），我们可以表示4种不同的状态——00、01、10、11。如果我们约定00代表春天，01代表夏天，10代表秋天，11代表冬天，那么(me)仅(jǐn)用(yòng)两(liǎng)个(gè)开(kāi)关的组合就能表达四季。增加到8个比特，就有256种组合，足够表示英文字母、数字和标点符号。

不同于我们常见到计算机，量子计算机使用的是量子比特，它打破了这种0即(jí)1的(de)限(xiàn)制(zhì)。量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)就(jiù)像(xiàng)一(yī)个(gè)正(zhèng)在(zài)空(kōng)中(zhōng)旋(xuán)转(zhuǎn)的(de)硬(yìng)币(bì)，在(zài)它(tā)落(luò)地(de)之(zhī)前(qián)，你(nǐ)无(wú)法(fǎ)说(shuō)它(tā)是(shì)正(zhèng)面(miàn)还(hái)是(shì)反(fǎn)面(miàn)，而(ér)是(shì)两(liǎng)种(zhǒng)可(kě)能(néng)性(xìng)同(tóng)时(shí)存(cún)在(zài)，这(zhè)种(zhǒng)状(zhuàng)态(tài)被(bèi)称(chēng)为(wèi)叠(dié)加(jiā)态(tài)。

而(ér)更(gèng)神奇的是量子纠缠，当你抛起两个相距遥远但互相纠缠的量子硬币的其中一枚，无论相隔多远，只要测量其中一个，则会立即影响另一个的测量结果，它们之间存在着超越经典物理的关联性。这种奇异的联系使得爱因斯坦也一直为之困惑。

这两个特性结合起来，创造了量子计算的奇迹。举个具体的例子：假设我们要在一个有1000扇门的迷宫中找到唯一的出口。传统计算机只能一扇一(yī)扇(shàn)地(de)尝(cháng)试(shì)，最坏情况下要试1000次。。而量子计算机利用10个量子比特，约1024种状态叠加，通过量子傅里叶变换并行性一次生成所有门的可能性云，再借量子干涉放大正确路径信号，几乎可以瞬间找到出口。

1981年，物理学巨匠理查德·费曼在一次演讲(jiǎng)中(zhōng)提(tí)出(chū)了(le)一(yī)个(gè)大(dà)胆(dǎn)设(shè)想(xiǎng)："自(zì)然(rán)不(bù)是(shì)经(jīng)典(diǎn)的(de)，如(rú)果(guǒ)你(nǐ)想(xiǎng)模(mó)拟(nǐ)自(zì)然(rán)，最(zuì)好(hǎo)使(shǐ)用(yòng)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)。"他(tā)意(yì)识(shi)到(dào)，要(yào)真(zhēn)正(zhèng)模(mó)拟(nǐ)量(liàng)子(zi)系(xì)统(tǒng)，我(wǒ)们(men)需要一台本身就遵循量子规律的计算机。38年后的2019年秋，谷歌宣布，其"悬铃木"超导芯片完成53比特随机电路采样，宣称"需要一万年破解的难题，我们只需200秒。" 而仅在一年后的2020年冬，中科大的"九章"光量子计算机以76个光子打破纪录——完成高斯玻色采样只需200秒，而当时最快的超级计算机需要6亿年，实现的特定任务速度更是较“悬铃木”快100亿倍。2021年"祖冲之二(èr)号(hào)"超(chāo)导(dǎo)芯(xīn)片(piàn)再(zài)破(pò)纪(jì)录(lù)，让(ràng)中(zhōng)国(guó)成(chéng)为(wèi)首(shǒu)个(gè)双(shuāng)路线(xiàn)（光(guāng)量(liàng)子(zi)+超(chāo)导(dǎo)）实(shí)现(xiàn)量(liàng)子(zi)优(yōu)越(yuè)性(xìng)的(de)国(guó)家(jiā)。

我(wǒ)们(men)要(yào)知(zhī)道(dào)，在(zài)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)这(zhè)条(tiáo)技(jì)术(shù)路线(xiàn)上，每一个技术细节都影响着全局。量子比特不仅要在接近绝对零度（-273°C）的环境下工作，还需在如此极端的环境下精确控制每个量子比特的状态。这种控制精度要求达到纳秒级别——相当于在一秒钟内精确控制10亿次操作。从62比特的"祖冲之一号"到66比特的"祖冲之二号"，数字上看只增加了4个比特，但技术难度却是几何指数级增长，即2^4=16倍。如果搭过积木就能理解，每增加一层，保持整体稳定的难度却是指数级增长。

"祖冲之二号"不仅做到了规模扩展，还将关键性能指标全面(miàn)提(tí)升(shēng)，比(bǐ)如(rú)在(zài)可(kě)编(biān)程(chéng)性(xìng)上(shàng)的(de)突(tū)破(pò)，使(shǐ)其(qí)能(néng)够(gòu)运(yùn)行(xíng)包(bāo)括(kuò)量(liàng)子(zi)机(jī)器(qì)学(xué)习(xí)、量(liàng)子(zi)化(huà)学(xué)模(mó)拟(nǐ)在(zài)内(nèi)的(de)多(duō)种(zhǒng)算(suàn)法(fǎ)，这(zhè)为(wèi)后(hòu)续(xù)向(xiàng)百(bǎi)比(bǐ)特(tè)级(jí)别(bié)冲(chōng)击(jī)，也(yě)就(jiù)是(shì)我(wǒ)们(men)即(jí)将(jiāng)要介绍的祖冲之三号奠定了坚实基础。

2025年3月，当《物理评论快报》将一张精密的量子芯片图放上封面时，代表着中国的量子计算又一次改写了历史。这(zhè)就(jiù)是(shì)我(wǒ)们的"祖冲之三号"，一台拥有105个量子比特的超导量子计算原型机。

刚才我们提到，从祖冲之一号到二号增加了四个比特，而从二号到三号，足(zú)足(zú)增(zēng)加(jiā)了(le)39个。在量子世界里，这意味着计算空间从266扩展到2105，整整扩大了5500亿倍。我们常用恒河沙数来形容数量之无尽，而根据推测计算，地(de)球(qiú)沙(shā)子总数约为7.36 × 10²⁴粒，105比特具备的状态数足囊括得下百万个地球的沙粒总量。

但拥有庞大的计算空间只是第一步，大而不精并非我们追求的，其实际运算能力仍需考验。于是在随机线路采样任务上研究团队设计了一个83比特、32层深度的量子线路，这可以说是迄今为止最复杂的量子计算任务了。而祖冲之三号完成100万个样本仅需几百秒，若是交给传统计算机，哪怕是世界赫赫有名的超算Frontier完成同样任务需要几十亿年。要知道地球的年龄也不过45亿年。当传统计算机还在计算第一个样本时，太阳可能已经熄灭，地球(qiú)早(zǎo)已(yǐ)不(bù)复(fù)存(cún)在(zài)。值(zhí)得(de)一(yī)提(tí)的(de)是(shì)，与(yǔ)谷(gǔ)歌(gē)2024年(nián)10月(yuè)发(fā)布(bù)的(de)最(zuì)新(xīn)成(chéng)果(guǒ)相(xiāng)比(bǐ)，祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)的(de)计(jì)算(suàn)优(yōu)势(shì)提(tí)升(shēng)了(le)整(zhěng)整(zhěng)6个(gè)数(shù)量(liàng)级(jí)。这(zhè)不(bù)是(shì)简(jiǎn)单(dān)的(de)性(xìng)能提升，而是质的飞跃。

不能庆祝太早，还有一个问题没有解决。当量子计算机完成了经典计算机无法完成的任务时，我们如何验证结果的正确(què)性(xìng)？对(duì)于(yú)高(gāo)斯(sī)玻(bō)色(sè)采样(yàng)，完(wán)全认(rèn)证(zhèng)其(qí)输(shū)出(chū)被(bèi)强(qiáng)烈(liè)推(tuī)测(cè)为(wèi)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算(suàn)所(suǒ)不(bù)可(kě)处(chù)理(lǐ)。于(yú)是(shì)

中(zhōng)科(kē)大(dà)团(tuán)队(duì)采用(yòng)了(le)分(fēn)而(ér)治(zhì)之(zhī)策(cè)略(è)，他(tā)们(men)称(chēng)之(zhī)为(wèi)"片段电路"（patch circuits）方法。首先是切分电路：通过选择性移除部分双量子比特门，将复杂电路拆解成二分片或四分片。接着在31比特规模上进行系统验证：对比分片电路与完整电路的保真度，发现四分片与完整电路的比值稳定在1.05。基于这种高度一致性，当分片验证全部通过，即可推定——83比特32周期的完整任务（保真度0.023%）必然由真实的量子计算完成。

祖冲之三号的出世代表了中国，乃至人类认知边界能力的又一次拓展。从62比特到66比特，再到105比特；从微秒级的相干时间到99.9%的门保真(zhēn)度(dù)；从(cóng)理(lǐ)论(lùn)构(gòu)想(xiǎng)到(dào)工(gōng)程(chéng)实(shí)现(xiàn)，每(měi)一(yī)步(bù)跨(kuà)越(yuè)都(dōu)凝(níng)聚(jù)着(zhe)中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)家(jiā)的(de)智(zhì)慧(huì)与(yǔ)汗(hàn)水(shuǐ)。59亿(yì)年(nián)的(de)计(jì)算(suàn)被(bèi)压(yā)缩(suō)到(dào)几(jǐ)百(bǎi)秒(miǎo)，不(bù)可(kě)不(bù)谓(wèi)为(wèi)一(yī)种(zhǒng)计(jì)算(suàn)范(fàn)式(shì)的(de)革(gé)命(mìng)。

从(cóng)1981年(nián)费(fèi)曼(màn)的(de)预(yù)言(yán)到(dào)今(jīn)天(tiān)，量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)走(zǒu)过(guò)了(le)44年(nián)的(de)征(zhēng)程(chéng)。中(zhōng)国(guó)从(cóng)追赶者成长为领跑者之一，在光量子和超导两条技术路线上同时实现突破，在未来，在药物研发领域，在材料科学中，在人工智能中..........我们有理由相信：量子计算不再是遥不可及的科幻，而是正在到来的现实。

参考文献

Zhong, H. S., Wang, H., Deng, Y. H., Chen, M. C., Peng, L. C., Luo, Y. H., ... & Pan, J. W. (2020). Quantum computational advantage using photons. Science, 370(6523), 1460-1463.

Gao, D., Fan, D., Zha, C., Bei, J., Cai, G., Cai, J., ... & Zhu, C. (2025). Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor. Physical Review Letters, 134(9), 090601.

本文为·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生

审核丨张文卓 夸密量子CEO、前墨子号卫星团队副研究员