摘要：2024年12月9日，美国谷歌公司在《自然》期刊发表了利用105比特超导量子处理器“垂柳”实现了码距最高为7的表面码量子纠错[1]。一周后的12月17日，国家实验室105个量子比特的超导量子计算机“祖冲之三号”成果（https://arxiv.org/abs/
2024年12月9日，美国谷歌公司在《自然》期刊发表了利用105比特超导量子处理器“垂柳”实现了码距最高为7的表面码量子纠错[1]。一周后的12月17日，国家实验室105个量子比特的超导量子计算机“祖冲之三号”成果（https://arxiv.org/abs/2412.11924）也在线发表在了arxiv上[2]。
两项成果先后发布，“祖冲之三号”处理器的各项性能指标也与“垂柳”处理器旗鼓相当。那么，中美两国在量子计算方面的实力究竟谁更强？为此，“墨子沙龙”对近期的科研进展进行梳理，并且采访了多位相关领域的科研人员。
量子计算已成为全球主要国家之间开展综合国力竞争，维护国家技术主权的关注焦点之一。近几年全球主要科技国家在量子计算领域的规划布局持续加强，已有30余个国家开展了以量子计算为重点的量子信息领域规划布局。
“量子计算优越性”是指，量子计算机需要在特定的问题求解上，表现出超越经典计算机的能力，从而解决连超级计算机都无法在短时间内解决的计算任务。量子优越性是量子计算具备应用价值的前提条件，也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。2019年，谷歌宣布其53比特“悬铃木”量子处理器在200秒内完成了一项随机线路采样任务，并声称凭此实现了量子计算的优越性。然而，这一成果在2023年遭到中国科学家的有力挑战。中国研究人员发展了更加先进的经典算法，利用A100 GPU仅用约17秒便完成了同样的任务，且同时其总能耗比谷歌还低14倍。这一突破性进展彻底打破了谷歌悬铃木芯片关于量子优势的论断[3][4]。2020年，“九章”光量子计算原型机利用光子路线首次证明量子计算优越性[5]。之后在2021年，超导体系首个被严格证明的量子计算优越性在“祖冲之二号”处理器上实现[6]。至此，中国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。2024年12月17日，中国科学家在arxiv线上发表了105个量子比特的“祖冲之三号”量子计算机，超过谷歌于2024年10月发表于《自然》期刊的最新进展——72比特 “悬铃木”处理器——6个数量级，为目前超导量子计算的最强优越性。
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就在一周前，谷歌官宣了105比特的超导量子处理器“垂柳”。“祖冲之三号”处理器各项性能指标与“垂柳”处理器相当，表明中美当前在超导量子计算研究方面处于同一水平线。谷歌还宣称，通过大幅提升性能，105量子比特超导量子处理器“垂柳”可以将优势比进一步提升至1030。谷歌没有公布实验细节，因此暂无法对其实际性能进行评估。
通过量子纠错抑制量子比特的错误率，是实现容错通用量子计算机的必要途径。现阶段量子纠错的研究重点是验证量子纠错的可扩展性, 表面码是实现量子纠错大规模扩展最成熟的方案。2022年，中国科学家首先在“祖冲之二号”超导量子处理器上实现了码距为3的表面码量子纠错，首次验证了表面码方案的可行性。2023年，谷歌实现了码距为3和5的表面码逻辑比特，首次展示了错误率随着码距的增加而下降。2024年12月的最新工作中，谷歌利用“垂柳”处理器实现了码距为3、5和7的表面码逻辑比特，并更为显著地降低了逻辑比特的错误率，从原理上验证了表面码方案的扩展性，为集成和操纵大规模量子比特系统扫清了障碍。那么，中国科研团队在量子纠错方面的进展如何？中国科学技术大学超导量子团队的吴玉林告诉“墨子沙龙”，国家实验室正在基于“祖冲之三号” 处理器开展相关工作，计划在数月内实现码距为7的表面码逻辑比特，并进一步将码距扩展到9和11，为实现大规模量子比特的集成和操纵铺平道路。“祖冲之三号”超导量子计算机在前代的基础上，进一步优化了设计与工艺，在比特数与性能上面都有了全方位的提升。
除了超导量子计算外，中国在光量子计算、冷原子量子模拟等技术路线上也取得了丰富成果。2020年，“九章”实现了76个光子的操纵，2021年的“九章二号”通过受激量子光源的技术使得能够操控的光子数达到了113个。2022年，加拿大Xanadu和美国NIST合作，跟随“九章”的高斯玻色取样路线，也成功实现了219个光子的实验。随后，2023年，“九章三号”通过发展时空解复用的技术达到了255个光子。
据“九章”量子计算实验室透露，目前已完成超过2000个光子的“九章四号”量子计算原型机的数据采集。初步预计，“九章四号”求解高斯玻色采样的速度，即使与运行最优算法、拥有无限内存的“前沿”超算相比，优势比仍然达到1032，超过谷歌声称的最新进展100倍，预期为量子计算优越性新的世界纪录。一般普遍认为，量子计算有三个发展阶段。第一个阶段是实现量子计算优越性。量子计算系统对某些特定问题的求解速度已经远远的超过了经典超级计算机，以此展示量子计算本身的优越性。第二阶段是构建专用的量子模拟机，用来求解一些经典计算机难以胜任的特定的复杂问题，比如高温超导机制等。第三阶段的目标是希望在量子纠错的帮助之下，实现通用的、可编程的量子计算。中国的量子计算处于哪一个阶段呢？中国科学院量子信息与量子科技创新研究院姚星灿教授称，我们刚刚进入第二阶段，科学家们正致力于构建专用的量子模拟器，期望在未来3到5年内能够解决一些具有实际应用价值的关键问题。2024年7月，中国科大科研团队成功构建了用于求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器“天元”，并首次通过超越经典计算机的模拟能力验证了该体系中的反铁磁相变[7]。这一突破性进展为获得费米子哈伯德模型的低温相图、深入理解量子磁性在高温超导机制中的作用奠定了重要基础。目前，科学家正在优化“天元”的各项技术指标，力求使其能够模拟费米原子在光晶格中的配对和凝聚现象，并进一步探索能否在晶格中实现单带超流。
2025年是联合国“量子科学与技术之年”，诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek在写给“墨子沙龙”的专栏文章《量子之年，量子的世界》中指出：“自1925年以来，量子理论的范畴在一个世纪里得到了极大拓展……（并且）在持续地发挥着它的影响力。这些发展将促生出更为先进的量子工具，进而赋能科学家们研发出更卓越的量子技术……在这螺旋式上升的创新过程中，新的梦想将被激发，新的现实也将被塑造。”中美两国在量子计算领域的“华山论剑”，正是其中的一个缩影。科研人员也将在竞争与合作中共同见证量子计算未来的发展。谷歌最新发表在《自然》期刊上的工作，论文作者多达260余名，并且与哈佛大学、麻省理工学院、加州大学圣芭芭拉分校等13所业内重要大学进行了合作，这就体现了量子计算领域发展的合作新趋势。我国量子计算的研发未来同样需要不断扩大量子科技领域开放合作，主动融入全球科技创新网络，积极参与解决人类面临的重大挑战，努力推动量子科技创新成果惠及更多国家和人民。
参考文献
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y
[2] https://arxiv.org/abs/2412.11924
[3] https://dl.acm.org/doi/10.1109/SC41406.2024.00085
[4] https://doi.org/10.1093/nsr/nwae317
[5] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe8770
[6] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501
[7] https://www.nature.com/articles/s41586-024-07689-2
本文2024年12月17日发表于微信公众号 墨子沙龙（量子计算“华山论剑”，中美竞争态势胶着），风云之声获授权转载。
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来源：袁岚峰一点号