本文主要介紹中國科學家在超導量子計算領域取得的重大成果，即構建出“祖沖之三號”超導量子計算原型機，闡述了其計算能力、相關概念以及量子計算發展階段等內容。
近期，中國的科學家們在超導量子計算這一前沿領域實現了極為重大的突破。他們成功打造出了名為“祖沖之三號”的超導量子計算原型機，這臺原型機擁有多達105個量子比特呢。通過隨機線路采樣（RCS）實驗，“祖沖之三號”再一次刷新了量子計算優越性的紀錄。你知道這有多厲害嗎？它處理“量子隨機線路采樣”問題的速度，那可比當下國際上速度最快的超級計算機還要快千萬億倍啊。而且，這一成果非常重磅，已經以封面論文的形式，發表在了國際權威的物理期刊《物理評論快報》（Physical Review Leters，簡稱為PRL）上了。
可能很多人會疑惑，快千萬億倍這到底是怎樣一個概念呢？量子計算優越性又究竟代表著什么含義呢？“祖沖之三號”此次的進展對整個量子計算領域來說又意味著什么呢？我們距離能夠使用量子計算機還有多長的路要走呢？下面咱們就一起深入探究一下這些問題吧。
先來說說“祖沖之三號”這次的突破到底有多大。量子有一個很特殊的性質，那就是疊加態。這個疊加態意味著每個量子比特都能夠同時編碼2個狀態。隨著量子比特數量不斷地增加，量子系統能夠編碼的狀態數量會像爆炸一樣呈指數級增長。打個比方，如果我們把量子處理器看作是一個超級大腦的話，那么量子比特就相當于這個大腦里的神經元。神經元的數量越多，大腦就能夠處理越復雜、信息量越龐大的信息，也就代表著它有能力去解決那些更棘手的問題。
(“祖沖之三號”芯片示意圖)
“祖沖之三號”擁有105個量子比特，這就使得它能夠編碼2的105次方個狀態。和它的上一代“祖沖之二號”（“祖沖之二號”只有66個量子比特）相比，它們二者在編碼狀態空間大小上的差距達到了約5千億倍。不過呢，這還只是編碼空間方面的差距，要是衡量實際計算能力的差距時，還得把量子門操作和讀取的保真度考慮進去。
這里就不得不提到“保真度”這個在量子計算里非常重要的概念了。簡單來講，保真度就像是量子操作的“精準度”，它是用來衡量實際操作和理想操作之間相似程度的一個指標。保真度越高，就表明實際的量子操作越接近理想狀態，這樣產生的誤差也就越小。“祖沖之三號”量子計算機在三個關鍵的指標上都取得了很高的保真度，其中并行單比特門保真度達到了99.90%、并行兩比特門保真度達到了99.62%、并行讀取保真度達到了99.13%。這么高的保真度就如同給量子計算機安裝上了高精度的“眼睛”和“手”，讓它能夠更加精準地去執行那些復雜的量子算法。
所以說，“祖沖之三號”的成功構建，從兩個重要的方面對量子計算產生了巨大的推動作用。一方面，它極大地提升了量子計算機計算能力的上限，從而讓量子計算機能夠處理更為復雜的問題；另一方面，它為量子糾錯提供了更多的資源，這樣就有望實現碼距更高的表面碼邏輯比特，進而降低量子計算的錯誤率，這對推動量子計算機從實驗室走向實際應用有著非常關鍵的意義。
接下來我們探討一下科學家們所追求的量子計算優越性到底意味著什么。當我們提到量子計算以及量子計算優越性的時候，有一個詞是繞不開的，那就是量子隨機線路采樣（RCS）。它可是目前衡量量子計算機性能的一個重要標準呢。
在經典計算機進行計算的時候，通常的做法是先把需要處理的數據輸入到系統里面，然后依據特定的算法去執行一系列的邏輯門操作，等這些操作都完成之后，得到的處理后的數據就是計算結果了。量子計算機的計算過程和這個是類似的。
而量子隨機線路采樣呢，是先把量子信息導入，接著運行一系列的量子邏輯門操作，最后對最終的量子態計算結果進行取樣。在量子隨機線路取樣這個任務里，隨機性主要體現在科學家們會隨機選取多種量子邏輯門操作，這樣就能獲得多種隨機的量子態計算結果。通過對這些計算結果進行統計分析，就可以得到量子計算機在多種情況下計算結果的準確程度，進而對量子計算機的整體性能進行全面的評估。
所以，我們可以這么說，在實現量子隨機線路采樣這個任務上表現得越好，量子計算機的性能就越強。當量子計算機在某些特定的問題上，它的計算能力能夠超越最強的經典計算機的時候，我們就把這種情況稱為量子計算優越性。
“量子計算優越性”的研究有著里程碑一樣的重要意義。它不但驗證了量子力學原理在計算領域的可行性和巨大的潛力，為量子計算理論的發展提供了實驗方面的支撐，展示了量子計算機真正具備超越經典計算機算力的能力，推動了第二次量子革命向前發展，還為量子計算機向著終極目標——實現可容錯的通用量子計算機——奠定了堅實的基礎。
最后我們來看看，我們距離能夠使用量子計算機還有多遠呢？“祖沖之三號”超導量子計算原型機已經實現了目前超導體系最強的量子計算優越性，那是不是就意味著我們很快就能用上量子計算機了呢？
如今，隨著人工智能、氣候模擬等領域的復雜度不斷飆升，由于晶體管已經快要逼近物理極限了，摩爾定律也逐漸失去了效力，我們現在使用的經典計算機已經很難滿足呈指數級增長的計算需求了。所以，人們都把希望寄托在量子計算機上，盼望著量子計算機能夠早日實現應用，從而幫助我們解決算力提升的問題。
然而，要想實現量子計算機的實用化，這可不是一件能夠一下子就完成的事情。目前，科學家們把量子計算的發展大致劃分為三個階段。
第一個階段是實現量子計算優越性，也就是要相干操縱50多個量子比特，讓其在對特定問題的計算能力上超越最快的超級計算機。
第二個階段是實現專用量子模擬機，這就需要相干操縱數百至上千個量子比特，用它來解決經典計算機無法勝任的一些重要的科學問題，比如量子化學、高溫超導機理、拓撲物態等方面的問題。
第三個階段是實現通用容錯量子計算機，這就要求在量子糾錯的輔助下相干操縱至少上百萬量子比特，用它來解決經典密碼破解、人工智能、材料設計、生物制藥等領域的計算難題。
要是想要達到量子計算機發展的第三個階段——通用可容錯的量子計算機，實現量子計算的全面實用化，那就需要借助量子糾錯算法來降低邏輯比特的錯誤率。目前，科學家們預計，大概需要10 - 15年左右的時間，才能夠構建起擁有數千邏輯比特且邏輯錯誤率控制在1e - 10量級的量子計算原型機。
中國科學家構建的“祖沖之三號”超導量子計算原型機意義非凡，它在量子比特數量、保真度等方面的成果體現了其巨大突破，刷新量子計算優越性紀錄。量子計算優越性通過量子隨機線路采樣衡量，這一成果推動了量子計算發展。量子計算發展分三個階段，要達到通用可容錯量子計算機的實用化還需10 - 15年左右。
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