“祖沖之三號”總師朱曉波（左一）與課題組青年討論實驗結(jié)果。代蕊/攝

在量子計算優(yōu)越性的科研道路上，我國科學家又越過一座山峰。

近日，中國科學技術(shù)大學（以下簡稱“中國科大”）教授潘建偉、朱曉波、彭承志等，與合作單位構(gòu)建了105比特超導量子計算原型機“祖沖之三號”，實現(xiàn)對“量子隨機線路采樣”任務(wù)的快速求解。這臺機器處理量子隨機線路采樣問題的速度，比目前最快的超級計算機快15個數(shù)量級。

這意味著，我國繼“祖沖之二號”科研突破后，再次打破超導體系量子計算優(yōu)越性紀錄。研究成果登上了《物理評論快報》的封面，審稿人稱，“這一工作構(gòu)建了目前最高水準的超導量子計算機”。

毋庸置疑，量子計算科技已成為全球矚目的前沿研究領(lǐng)域。今年的政府工作報告提到，“建立未來產(chǎn)業(yè)投入增長機制，培育生物制造、量子科技、具身智能、6G等未來產(chǎn)業(yè)。”

面對全球激烈的競爭態(tài)勢，上述科研團隊如何攻堅克難迭代技術(shù)，有何科研管理模式的創(chuàng)新探索，青年科研人才在其中如何發(fā)揮作用？近日，中青報·中青網(wǎng)記者對該團隊進行了專訪。

“量子優(yōu)越性”領(lǐng)域的你追我趕

“量子優(yōu)越性是量子計算強大性能的綜合體現(xiàn)，可以驗證量子力學原理在計算領(lǐng)域的可行性與潛力?！薄白鏇_之三號”總師朱曉波表示，只有實現(xiàn)了量子優(yōu)越性，量子計算機才有可能真正發(fā)揮實際應(yīng)用價值，才有可能構(gòu)建出超越經(jīng)典計算的應(yīng)用場景。

“量子計算優(yōu)越性”也是當前一個國家量子計算研究實力的直接體現(xiàn)。中美在該領(lǐng)域處于第一方陣，交替領(lǐng)先、你追我趕。

2019年，谷歌公司率先宣稱實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性。谷歌53比特“懸鈴木”處理器在200秒內(nèi)完成的隨機線路采樣任務(wù)，用當時最快的超級計算機進行模擬需要約一萬年。

一年后，以最優(yōu)經(jīng)典算法為比較標準，國際上首個被嚴格證明的量子計算優(yōu)越性由中國科大在“九章”光量子計算原型機上實現(xiàn)。而超導體系首個被嚴格證明的量子計算優(yōu)越性，則由該團隊于2021年在66比特的“祖沖之二號”處理器上實現(xiàn)，使得我國成為在超導和光量子兩條技術(shù)路線上，都實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”的國家。

2023年，中國科大演示了更先進的經(jīng)典算法。同年，中國科大研發(fā)的255光子“九章三號”量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算16個數(shù)量級。2024年10月，谷歌67比特超導量子處理器“懸鈴木”量子優(yōu)越性超越經(jīng)典超算9個數(shù)量級。

而本次研究中，團隊在66比特“祖沖之二號”的基礎(chǔ)上，大幅提升了各項關(guān)鍵性能指標，實現(xiàn)了105個數(shù)據(jù)比特、182個耦合比特的“祖沖之三號”。其中，在隨機線路采樣任務(wù)上，“祖沖之三號”的速度比“懸鈴木”快100萬倍，成為目前超導體系里“最強”的量子計算優(yōu)越性代表。

“祖沖之三號”何以“最強”

朱曉波指出，目前，實現(xiàn)量子優(yōu)越性的量子計算機主要分為兩個體系：一個是光子體系，主要代表為九章號；另一個是超導體系，主要代表為祖沖之號和谷歌的“懸鈴木”。

“祖沖之三號”與之前成果相比，最直觀的優(yōu)勢與變化，是量子比特數(shù)目從66個提升到105個。朱曉波形容量子處理器就如同“超級大腦”，量子比特就像是大腦里的神經(jīng)元，神經(jīng)元越多，大腦能處理的信息就越復雜，也就更容易解決難題。他介紹，團隊正是通過芯片架構(gòu)的優(yōu)化和制造工藝的改進，才提高了量子比特的集成度和可擴展性。

此外，團隊還實施多項“獨門絕技”，才實現(xiàn)了關(guān)鍵性能的提升。

“祖沖之三號”芯片示意圖。中國科大供圖

例如，“祖沖之三號”的單比特量子門保真度達到99.90%，雙比特量子門保真度達到99.62%，讀取保真度達到99.13%。朱曉波打了個比方，量子門的保真度就好比神經(jīng)元之間相互傳遞信息的正確率，量子門的保真度越高，大腦處理信息時就越不會出錯。而讀取保真度，可以理解為大腦處理完信息后還需要輸出，讀取保真度越高，說明輸出過程中出錯的概率越小。

保真度的提升，則主要歸功于團隊在量子比特的相干時間、門操作精度和讀出效率等方面的優(yōu)化。

“可以將量子比特的相干時間理解為神經(jīng)元能有效工作的時間，相干時間越長，意味著神經(jīng)元能處理的信息越復雜。”朱曉波說，在相干時間的迭代路徑上，團隊不斷優(yōu)化量子比特的電路參數(shù)，降低其對噪聲的敏感性。

量子處理器設(shè)計制造、優(yōu)化量子比特和耦合器電場分布、改進控制信號傳輸……在朱曉波看來，在技術(shù)路徑迭代道路上，類似的摸索和創(chuàng)新還有很多。而正是由于各類關(guān)鍵性能的大幅提升，“祖沖之三號”才能實現(xiàn)目前復雜度最高的量子隨機線路采樣實驗，最終全面分析、評估量子計算機整體性能。

科研探索和工程化“雙軌并行”

2019年至今，從“祖沖之一號”到“祖沖之三號”，團隊在短時間內(nèi)實現(xiàn)量子比特數(shù)量與性能的跨越式提升。在朱曉波看來，這得益于科研和工程化雙軌管理模式的創(chuàng)新，讓科研人員目標更明確，合作更順暢。

他解釋，工程化管理聚焦終極目標——通用容錯量子計算機，以“祖沖之二號”“祖沖之三號”及后續(xù)型號為發(fā)展主干，明確各階段任務(wù)與分工。同時，鼓勵青年科研人員圍繞主干目標自由馳騁探索，在超導量子芯片設(shè)計、量子算法優(yōu)化等細分領(lǐng)域展開創(chuàng)新研究，激發(fā)眾人創(chuàng)新活力，最終將枝干的養(yǎng)分再匯聚到樹木主干上。

團隊成員、中國科大博士后查辰介紹，在大目標引領(lǐng)的基礎(chǔ)上，整個團隊按照工程管理方法，將量子計算機研發(fā)項目細分為多個子系統(tǒng)，如量子芯片、量子控制、量子軟件等。每個子系統(tǒng)小組由不同學科背景的團隊負責，定期召開跨學科交流會議，分享進展與挑戰(zhàn)。這樣便于打破學科壁壘，讓各專業(yè)優(yōu)勢相互融合，培養(yǎng)既扎根科研又助力工程化的復合型人才。

團隊成員、中國科大95后在讀博士付元豪每次走進實驗室，聽到那臺一層樓高的稀釋制冷機發(fā)出熟悉的嗡鳴，心中總會想起前輩們說的話：“大家要抓住機遇，積極地參與到大實驗項目的鍛煉中，個人各方面能力會得到快速提升?！?/span>

2021年，剛進團隊時，付元豪尚未完全理解這句話的分量，直到去年年底，團隊調(diào)試“祖沖之三號”量子優(yōu)越性實驗指標，明明雙比特量子門保真度已達99.6%，系統(tǒng)整體性能卻始終未達預期。團隊不同學科的同學全部行動起來，花了兩周排查，發(fā)現(xiàn)是控制系統(tǒng)的軟件邏輯出了問題，導致時序同步出現(xiàn)幾納秒偏差。這一點看似微不足道的問題，卻讓整套設(shè)備成了“精致的隨機數(shù)發(fā)生器”。

“與傳統(tǒng)物理研究不同，超導量子計算并非探索自然界固有實體，而是用微納加工技術(shù)創(chuàng)造‘人工原子’。這意味著，即便全球的量子團隊都選擇超導路線，技術(shù)細節(jié)也可能千差萬別。但科研問題的關(guān)鍵，往往就藏在這些沒有出現(xiàn)在文獻、教科書上的細節(jié)里?！彼锌?。

“大家深知量子計算研發(fā)的難度與復雜性，做足了心理準備。”査辰還記得這樣一件事，彰顯大伙的凝聚力與戰(zhàn)斗力。

2024年夏天，研發(fā)正處于關(guān)鍵階段，面臨著一項亟待解決的技術(shù)難題——進一步提高雙比特量子門保真度操作的保真度。剛開始，實驗保真度幾乎降至0，遠低于理論預期。為此，多個分系統(tǒng)的團隊成員主動放棄休息，紛紛從擅長的專業(yè)角度出發(fā)，經(jīng)常加班至凌晨一兩點，提出了數(shù)十個優(yōu)化方案。最終，通過跨學科協(xié)作實現(xiàn)方案有機整合，大家成功發(fā)現(xiàn)問題根源，顯著提高了保真度。

在有關(guān)單位支持下，團隊在構(gòu)建科學探索與工程實踐深度融合的研發(fā)體系時，摸索出“理論預研-技術(shù)驗證-工藝固化”的螺旋式協(xié)同機制，有效推動量子計算從實驗室的前沿理論探索，逐步邁向嚴謹精密的工程化實踐。

朱曉波拿105比特超導量子芯片這一突破舉例，團隊首先應(yīng)用科學屬性驅(qū)動創(chuàng)新方向，基于量子糾錯算法和表面碼架構(gòu)的前沿研究，為芯片設(shè)計提供理論支撐，開發(fā)了鉭膜工藝、量子門標定等多個科學方案。

其次是保障技術(shù)落地，團隊同步將新研發(fā)的科學方案落地成規(guī)范的工程流程，從而將量子比特相干時間穩(wěn)定地提升至72微秒，實現(xiàn)單/雙比特門保真度提升。“最后，依托國家實驗室平臺，聯(lián)合9家單位利用跨學科資源共同攻關(guān)技術(shù)難題?！?/span>

“下一步跨越”難在哪兒

每當坐在儀器屏幕前操縱著小小的量子比特時，付元豪總是忍不住展望量子芯片的前景——當未來可容錯的通用量子計算機誕生時，它將會成為最鋒利的矛，“刺穿”傳統(tǒng)的通信加密方式，為世界帶來顛覆性變革！

業(yè)內(nèi)普遍認同，量子計算的發(fā)展主要分“三步走”：第一階段是實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性，對特定問題的計算能力超越最快的超級計算機；第二階段是實現(xiàn)專用量子模擬機，相干操縱數(shù)百至上千個量子比特，用于解決經(jīng)典計算機無法勝任的量子化學、高溫超導機理、拓撲物態(tài)等重要科學問題；第三階段是實現(xiàn)通用容錯量子計算機，在量子糾錯的輔助下相干操縱至少上百萬量子比特，用于解決經(jīng)典密碼破解、人工智能、材料設(shè)計、生物制藥等領(lǐng)域的計算難題。

朱曉波坦言，第一階段已經(jīng)實現(xiàn)，在第二階段，量子計算產(chǎn)業(yè)化的瓶頸主要在于找到真正有實際用途的場景，這意味著科研團隊需要在復雜的化學模擬、量子化學等應(yīng)用領(lǐng)域，通過實際案例來驗證量子計算對生產(chǎn)力發(fā)展的推動作用；第三階段，想要實現(xiàn)量子計算全面實用化，需要實現(xiàn)可容錯的量子計算機。當量子比特數(shù)目拓展至百萬量級時，團隊需要確保各種操作的保真度不僅不會下降，反而能進一步提升。

對于這支由中青年組成的科研團隊而言，未來之路，信心和壓力并存。

眼下，科學層面上，“祖沖之三號”量子處理器已經(jīng)能處理更復雜的量子信息，執(zhí)行更復雜的量子算法，這能推動量子糾錯的研究，同時推動量子化學模擬、藥物研發(fā)等領(lǐng)域的發(fā)展。

盡管在技術(shù)路線上，團隊選擇了變頻比特以及耦合強度可調(diào)的架構(gòu)設(shè)計路線，但查辰觀察到，近年來，各大團隊似乎在技術(shù)上呈現(xiàn)趨同的進化趨勢，這表明在技術(shù)發(fā)展過程中，各團隊都在不斷借鑒和吸納彼此優(yōu)點。

因此，“邁向下一步跨越”是個難題。朱曉波說，這包括如何構(gòu)建完整的量子計算生態(tài)體系，形成從芯片制備到應(yīng)用開發(fā)的一整套技術(shù)能力，“只有啃下一個個硬骨頭，量子計算才能從實驗室走向更為深遠的實際應(yīng)用，貼近百姓生活”。

平時，朱曉波總是和團隊年輕人念叨，作為一項具有重大戰(zhàn)略意義的前沿技術(shù)，量子計算每一個環(huán)節(jié)都充滿挑戰(zhàn)與不確定性，從基礎(chǔ)理論探索到關(guān)鍵技術(shù)突破，再到實際應(yīng)用落地，絕非一蹴而就?！拔覀儾粌H要懷抱‘十年磨一劍’的科研理念，還要充分尊重科研規(guī)律，深刻理解量子科技?！?/span>

團隊成員、中國科大在讀博士高崠鑫將這些話牢牢記在心里。他自豪地說，量子計算對我國高水平科技自立自強必然有重大意義，作為青年科研人員，慶幸能讓個人求知欲與國家需求同頻共振。在參加一些課堂交流和學術(shù)活動時，他會習慣性地將這些信息傳遞給更年輕的學弟學妹們。

他說：“希望學弟學妹們在校期間，對量子計算、人工智能、機器人與自動化等前沿領(lǐng)域保持了解和興趣，便于后期投身相關(guān)事業(yè)科研報國。希望未來能夠見證第一臺通用量子計算機在中國誕生！”

來源：中國青年報