中国科学家成功构建的 105 比特超导量子计算机“祖冲之三号”有什么现实意义？可能有哪些重大应用?

3月3日，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等，与上海量子科学研究中心、河南省量子信息与量子密码重点实验室、中国计量科学研究院、济南量子技术研究院、西安电子科技大学微电子学院以及中国科学院理论物理研究所等单位合作，在超导量子计算领域取得重大突破，成功构建了具有105量子比特的祖冲之三号超导量子计算原型机，并通过随机线路采样（RCS）实验再次刷新量子计算优越性记录。该成果于以封面论文的形式正式发表于国际权威物理期刊《Physical Review Letters》。

“祖冲之三号” 刷新量子计算优越性记录有什么意义？量子芯片有什么用途？未来又有哪些应用？小墨特别采访了论文第一作者查辰。


量子霸权=量子优越性？


量子霸权和量子优越性在一定程度上被视为同一个概念。量子霸权这一概念最早于2012年由加州理工大学的John Preskill教授提出，它指的是在某些特定问题上，量子计算机的计算能力能够超越所有的经典计算机。2019年，谷歌在其超导量子处理器上进行了随机线路采样实验，宣称实现了量子优越性，经典计算能力超越了当时最快的经典计算机。然而，由于“量子霸权”一词的攻击性过强，容易引起对霸权主义的联想，因此后续更多地使用了“量子优越性”这一更为温和的概念。同时，因为后续经典计算的发展使得经典计算的能力又超越了量子计算机，所以经典计算和量子计算并不是一个完全碾压另外一个的状态，而是相互发展、交替领先的状态。因此，量子优越性这个概念更能表达这样一种状态，即量子在某些时刻相对于经典计算有一定的领先。


实现量子优越性对于量子计算有什么意义？


量子优越性对量子计算的意义重大。首先，它进行了一次技术验证，证明了量子计算在某些特定问题上具有一定的实用性，这大大提高了科研人员的信心。其次，量子优越性的实现推动了量子计算的进一步发展，吸引了大量的人员加入到量子计算的研究中，促进了量子算法和量子硬件方面的发展。此外，量子优越性还促进了商业化投资，为量子计算研究提供了更多的资源和资金支持。


“祖冲之三号”应被称为计算机or处理器？


量子处理器是量子计算最核心的器件，类似于经典计算中的CPU。它主要包含量子芯片和外面的封装盒。然而，实现量子计算的过程并不仅仅依靠量子处理器，还需要稀释制冷系统以及电子学提供的测控信号等低温测控平台和室温的电子学系统的支持。因此，一个完整的量子计算机需要包含量子处理器、低温测控平台和室温的电子学系统。类似于经典计算的CPU、主板。


量子芯片与计算机芯片的差别在哪里？

量子计算机和普通计算机的差别主要体现在量子计算的实现方式上。量子计算现在的实现方式有很多种：1）超导量子计算主要依靠类似于半导体的一些芯片。所以它的超导量子芯片的形态和经典的CPU很相似，主要还是在硅或者说蓝宝石的衬底上进行镀膜、曝光、刻蚀来生成所需的大量的电子学器件。这个和经典的半导体芯片非常接近。2）但是其他的一些体系类似于中性原子或者光学，用的是一些光学器件和激光光源之类的。这和经典的半导体芯片的差别非常大。


量子芯片生产目前处于什么水平？

目前，量子芯片的生产还处于一种手动或半手动的状态，其生产难度较高，成功率不高。尚未达到半导体厂商已经实现的量产。


目前量产的量子芯片的用途？

目前生产的量子计算芯片主要用于科学探索，包括各个科研院所和商业公司用于早期的算法演示、算法的可行性探究以及硬件方案的研究等方面。不过量子计算芯片尚未达到纯商业化的使用用途。