祖冲之三号，确立了什么新标杆？ | 袁岚峰

导语

2024年，谷歌把悬铃木升级后，再次反超了经典计算机。现在的最新进展，就是祖冲之三号又超越了升级的悬铃木。回头看看论文的标题，《用105量子比特的祖冲之三号处理器确立量子计算优越性的新标杆》，现在你明白它的意义了吧？

2025年3月3日有个大新闻，“祖冲之三号”量子计算机以封面论文的形式发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090601），再次刷新量子优越性纪录。实际上，这论文的标题就是《用105量子比特的祖冲之三号处理器确立量子计算优越性的新标杆》（Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor）。这个新闻是什么意思呢？

首先，最容易理解的是，这是祖冲之系列的升级。我的同事和朋友、中国科学技术大学潘建伟院士、朱晓波教授等人在2021年5月发表了祖冲之号，2021年10月发表了祖冲之二号，现在升级到三号了。

然后，祖冲之系列是什么？它是超导量子计算机。

量子计算有多种技术路线，包括超导、光学、离子阱、冷原子等等。这就好比经典计算机可以用晶体管实现，也可以用电子管实现，甚至可以用算盘实现。超导、光学、离子阱、冷原子等等，就是实现量子计算的多种物理体系。不过跟经典计算机不同的是，量子计算机的技术路线还没有收敛。也就是说，我们还不清楚哪种物理体系最好，或者是否存在一个最好的物理体系。所以目前每条技术路线都有很多人在研究，而超导是其中相对比较主流的一种。

大家可能还听说过潘建伟团队的另一个系列量子计算机，九章、九章二号、九章三号，它们用的是光学。在光学路线上，九章三号是目前全世界最先进的。而在超导路线上，祖冲之三号是目前全世界最先进的。

然后，量子计算是什么？这个问题解释起来可就复杂了，至少需要一本书，例如我的《量子信息简话》。非常简单地解释一下，量子计算是一种跟现在的电子计算机完全不同的新的计算模式，它利用的是量子力学（quantum mechanics）的特性，如叠加、测量、纠缠。

经典计算机的基本操作单元是比特（bit），即一个体系有且只有两个状态。而量子计算机的基本操作单元是量子比特（qubit），即一个体系不仅有两个状态，而且可以处于这两个状态的任意叠加态。一个比特只有两个状态，一个量子比特却有无穷多个状态。因此，量子计算机有潜力做到经典计算机做不到的事。

这里的一个关键是“潜力”。实际上，量子计算机并不是干什么都比经典计算机快，而是只对某些特定的任务比经典计算机快。也就是说，量子计算机优于经典计算机，并不是像486比386快、386比286快那样全面超越，而是依赖于任务的。如果了解这一点，你就超过了90%的人。

在这些特定的任务中有一些具有重大的应用价值，例如因数分解（factorization）。能快速执行因数分解，就能破解很多密码。然而目前这只是理论，因为量子计算机的硬件还不够好，只能分解一些很小的数，还远不能破解实用的密码。

不过，科学家们发挥聪明才智，确实找到了一些任务，它们现在就能在量子计算机这不够好的硬件上快速执行。快到什么程度呢？比当前最快的经典计算机还快，这就叫做实现量子优越性（quantum advantage）。如果了解这一点，你就超过了99%的人。

祖冲之三号做的随机线路取样（random circuit sampling），就是这样的一个问题。祖冲之三号取样一百万次只需要几百秒，而目前最快的经典计算机即美国的超级计算机“前沿”（Frontier）做同样的事需要几十亿年。这就是量子优越性的威力。

然而，随机线路取样是一个人为设计的、很特别的数学问题，设计它的目的就是实现量子优越性，完全没考虑实用价值。那么它现在有没有实用价值呢？还没找到。

因此，量子计算虽然已经实现了巨大的进步，但目前还没有一台量子计算机是有实用价值的。如果有哪个企业向你宣传他们的量子计算机已经多么多么有用了，那么你立刻就可以知道他们是在炒作。如果了解这一点，你就超过了99.9%的人。

也许这会让你很沮丧，原来量子计算机还没有实用价值啊！那这个所谓超越经典计算机多少亿倍，有什么用？回答是，这是未来进步的基础，可以理解为“跑分”（量子计算优越性再升级：祖冲之三号如何超越经典极限？）。

实际上，在刷新纪录的背后，是硬件软件许多方面的进步。例如祖冲之三号的单量子比特门、双量子比特门和读出的保真度分别是99.90%、99.62%和99.13%，换言之就是错误率在千分之一的量级，这才是它成功的基础。作为对比，有许多机构的宣传只是说自己的量子计算机有多少多少量子比特，好像这就意味着它的能力强大似的。但内行知道，量子比特数和操作精度必须同步提高，否则再多的量子比特也没有用处。

我们前边说的因数分解等有实用价值的数学问题，之所以目前的量子计算机还处理不了，正是因为对量子比特的操作精度还不够高。要高到什么程度才行呢？回答是一万亿次操作才错一次。明白这个差距了吧？

因此，用随机线路取样等问题实现量子优越性，并不是作秀，而是实实在在的检验。它是一个准入门槛。如果你能实现量子优越性，那么你就有希望继续发展，最终实现真正有实用价值的量子计算机。而如果你连量子优越性都实现不了，那自然其他的都无从谈起。有些机构经常鼓吹他们的量子计算机有多么先进，却不提他们能否实现量子优越性，那么你一眼就可以看出他们的水平了。

最后，我们来稍微介绍一下超导量子计算机的国际对比。最先实现量子优越性的，是美国谷歌团队2019年发布的“悬铃木”（Sycamore）。然后，中国2021年的祖冲之二号超越了它。更有趣的是，中国科学家改进经典算法后，用经典计算机反超了悬铃木（https://academic.oup.com/nsr/article/12/3/nwae317/7756427）。

2024年，谷歌把悬铃木升级后，再次反超了经典计算机。现在的最新进展，就是祖冲之三号又超越了升级的悬铃木。回头看看论文的标题，《用105量子比特的祖冲之三号处理器确立量子计算优越性的新标杆》，现在你明白它的意义了吧？

你可能还记得，2024年12月，谷歌发布了另外一台超导量子计算机，叫做“柳树”（Willow），当时引起了巨大的轰动。它跟祖冲之三号是什么关系呢？有趣的是，祖冲之三号的论文并没有提到柳树。因为柳树的论文还没有发表，一切数据都来自谷歌的发布会（https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip），所以学术界还没有承认它。

如果谷歌关于柳树的报道都正确，那么它在量子优越性方面跟祖冲之三号相当，在纠错方面领先祖冲之三号几个月。当时我也解读过柳树（谷歌量子计算机Willow做了什么？大多数媒体都没说到点子上 | 袁岚峰），欢迎大家去看。

作为远景，将来我们有希望用量子计算解决很多问题，如药物研发、天气预报。在这条漫长而伟大的道路上，祖冲之三号是一个重要的里程碑。