发布时间:2025-05-29 14:08:48 分类:公司动态 浏览:

“祖冲之三号”总师朱晓波(左一)与课题组青年讨论实验结果。代蕊/摄  在量子计算优越性的科研道路上,我国科学家又越过一座山峰。  近日,中国科学技术大学(以下简称“中国科大”)教授潘建伟、朱晓波、彭承志等,与合作单位构建了105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”,实现对“量子随机线路采样”任务的快速求解。这台机器处理量子随机线路采样问题的速度,比目前最快的超级计算机快15个数量级。  这意味着,我国继“祖冲之二号”科研突破后,再次打破超导体系量子计算优越性纪录。研究成果登上了《物理评论快报》的封面,审稿人称,“这一工作构建了目前最高水准的超导量子计算机”。  毋庸置疑,量子计算科技已成为全球瞩目的前沿研究领域。今年的政府工作报告提到,“建立未来产业投入增长机制,培育生物制造、量子科技、具身智能、6G等未来产业。”  面对全球激烈的竞争态势,上述科研团队如何攻坚克难迭代技术,有何科研管理模式的创新探索,青年科研人才在其中如何发挥作用?近日,中青报·中青网记者对该团队进行了专访。  “量子优越性”领域的你追我赶  “量子优越性是量子计算强大性能的综合体现,可以验证量子力学原理在计算领域的可行性与潜力。”“祖冲之三号”总师朱晓波表示,只有实现了量子优越性,量子计算机才有可能真正发挥实际应用价值,才有可能构建出超越经典计算的应用场景。  “量子计算优越性”也是当前一个国家量子计算研究实力的直接体现。中美在该领域处于第一方阵,交替领先、你追我赶。  2019年,谷歌公司率先宣称实现量子计算优越性。谷歌53比特“悬铃木”处理器在200秒内完成的随机线路采样任务,用当时最快的超级计算机进行模拟需要约一万年。  一年后,以最优经典算法为比较标准,国际上首个被严格证明的量子计算优越性由中国科大在“九章”光量子计算原型机上实现。而超导体系首个被严格证明的量子计算优越性,则由该团队于2021年在66比特的“祖冲之二号”处理器上实现,使得我国成为在超导和光量子两条技术路线上,都实现了“量子优越性”的国家。  2023年,中国科大演示了更先进的经典算法。同年,中国科大研发的255光子“九章三号”量子优越性超越经典超算16个数量级。2024年10月,谷歌67比特超导量子处理器“悬铃木”量子优越性超越经典超算9个数量级。  而本次研究中,团队在66比特“祖冲之二号”的基础上,大幅提升了各项关键性能指标,实现了105个数据比特、182个耦合比特的“祖冲之三号”。其中,在随机线路采样任务上,“祖冲之三号”的速度比“悬铃木”快100万倍,成为目前超导体系里“最强”的量子计算优越性代表。  “祖冲之三号”何以“最强”  朱晓波指出,目前,实现量子优越性的量子计算机主要分为两个体系:一个是光子体系,主要代表为九章号;另一个是超导体系,主要代表为祖冲之号和谷歌的“悬铃木”。  “祖冲之三号”与之前成果相比,最直观的优势与变化,是量子比特数目从66个提升到105个。朱晓波形容量子处理器就如同“超级大脑”,量子比特就像是大脑里的神经元,神经元越多,大脑能处理的信息就越复杂,也就更容易解决难题。他介绍,团队正是通过芯片架构的优化和制造工艺的改进,才提高了量子比特的集成度和可扩展性。  此外,团队还实施多项“独门绝技”,才实现了关键性能的提升。  “祖冲之三号”芯片示意图。中国科大供图  例如,“祖冲之三号”的单比特量子门保真度达到99.90%,双比特量子门保真度达到99.62%,读取保真度达到99.13%。朱晓波打了个比方,量子门的保真度就好比神经元之间相互传递信息的正确率,量子门的保真度越高,大脑处理信息时就越不会出错。而读取保真度,可以理解为大脑处理完信息后还需要输出,读取保真度越高,说明输出过程中出错的概率越小。  保真度的提升,则主要归功于团队在量子比特的相干时间、门操作精度和读出效率等方面的优化。  “可以将量子比特的相干时间理解为神经元能有效工作的时间,相干时间越长,意味着神经元能处理的信息越复杂。”朱晓波说,在相干时间的迭代路径上,团队不断优化量子比特的电路参数,降低其对噪声的敏感性。  量子处理器设计制造、优化量子比特和耦合器电场分布、改进控制信号传输……在朱晓波看来,在技术路径迭代道路上,类似的摸索和创新还有很多。而正是由于各类关键性能的大幅提升,“祖冲之三号”才能实现目前复杂度最高的量子随机线路采样实验,最终全面分析、评估量子计算机整体性能。  科研探索和工程化“双轨并行”  2019年至今,从“祖冲之一号”到“祖冲之三号”,团队在短时间内实现量子比特数量与性能的跨越式提升。在朱晓波看来,这得益于科研和工程化双轨管理模式的创新,让科研人员目标更明确,合作更顺畅。  他解释,工程化管理聚焦终极目标——通用容错量子计算机,以“祖冲之二号”“祖冲之三号”及后续型号为发展主干,明确各阶段任务与分工。同时,鼓励青年科研人员围绕主干目标自由驰骋探索,在超导量子芯片设计、量子算法优化等细分领域展开创新研究,激发众人创新活力,最终将枝干的养分再汇聚到树木主干上。  团队成员、中国科大博士后查辰介绍,在大目标引领的基础上,整个团队按照工程管理方法,将量子计算机研发项目细分为多个子系统,如量子芯片、量子控制、量子软件等。每个子系统小组由不同学科背景的团队负责,定期召开跨学科交流会议,分享进展与挑战。这样便于打破学科壁垒,让各专业优势相互融合,培养既扎根科研又助力工程化的复合型人才。  团队成员、中国科大95后在读博士付元豪每次走进实验室,听到那台一层楼高的稀释制冷机发出熟悉的嗡鸣,心中总会想起前辈们说的话:“大家要抓住机遇,积极地参与到大实验项目的锻炼中,个人各方面能力会得到快速提升。”  2021年,刚进团队时,付元豪尚未完全理解这句话的分量,直到去年年底,团队调试“祖冲之三号”量子优越性实验指标,明明双比特量子门保真度已达99.6%,系统整体性能却始终未达预期。团队不同学科的同学全部行动起来,花了两周排查,发现是控制系统的软件逻辑出了问题,导致时序同步出现几纳秒偏差。这一点看似微不足道的问题,却让整套设备成了“精致的随机数发生器”。  “与传统物理研究不同,超导量子计算并非探索自然界固有实体,而是用微纳加工技术创造‘人工原子’。这意味着,即便全球的量子团队都选择超导路线,技术细节也可能千差万别。但科研问题的关键,往往就藏在这些没有出现在文献、教科书上的细节里。”他感慨。  “大家深知量子计算研发的难度与复杂性,做足了心理准备。”査辰还记得这样一件事,彰显大伙的凝聚力与战斗力。  2024年夏天,研发正处于关键阶段,面临着一项亟待解决的技术难题——进一步提高双比特量子门保真度操作的保真度。刚开始,实验保真度几乎降至0,远低于理论预期。为此,多个分系统的团队成员主动放弃休息,纷纷从擅长的专业角度出发,经常加班至凌晨一两点,提出了数十个优化方案。最终,通过跨学科协作实现方案有机整合,大家成功发现问题根源,显著提高了保真度。  在有关单位支持下,团队在构建科学探索与工程实践深度融合的研发体系时,摸索出“理论预研-技术验证-工艺固化”的螺旋式协同机制,有效推动量子计算从实验室的前沿理论探索,逐步迈向严谨精密的工程化实践。  朱晓波拿105比特超导量子芯片这一突破举例,团队首先应用科学属性驱动创新方向,基于量子纠错算法和表面码架构的前沿研究,为芯片设计提供理论支撑,开发了钽膜工艺、量子门标定等多个科学方案。  其次是保障技术落地,团队同步将新研发的科学方案落地成规范的工程流程,从而将量子比特相干时间稳定地提升至72微秒,实现单/双比特门保真度提升。“最后,依托国家实验室平台,联合9家单位利用跨学科资源共同攻关技术难题。”  “下一步跨越”难在哪儿  每当坐在仪器屏幕前操纵着小小的量子比特时,付元豪总是忍不住展望量子芯片的前景——当未来可容错的通用量子计算机诞生时,它将会成为最锋利的矛,“刺穿”传统的通信加密方式,为世界带来颠覆性变革!  业内普遍认同,量子计算的发展主要分“三步走”:第一阶段是实现量子计算优越性,对特定问题的计算能力超越最快的超级计算机;第二阶段是实现专用量子模拟机,相干操纵数百至上千个量子比特,用于解决经典计算机无法胜任的量子化学、高温超导机理、拓扑物态等重要科学问题;第三阶段是实现通用容错量子计算机,在量子纠错的辅助下相干操纵至少上百万量子比特,用于解决经典密码破解、人工智能、材料设计、生物制药等领域的计算难题。  朱晓波坦言,第一阶段已经实现,在第二阶段,量子计算产业化的瓶颈主要在于找到真正有实际用途的场景,这意味着科研团队需要在复杂的化学模拟、量子化学等应用领域,通过实际案例来验证量子计算对生产力发展的推动作用;第三阶段,想要实现量子计算全面实用化,需要实现可容错的量子计算机。当量子比特数目拓展至百万量级时,团队需要确保各种操作的保真度不仅不会下降,反而能进一步提升。  对于这支由中青年组成的科研团队而言,未来之路,信心和压力并存。  眼下,科学层面上,“祖冲之三号”量子处理器已经能处理更复杂的量子信息,执行更复杂的量子算法,这能推动量子纠错的研究,同时推动量子化学模拟、药物研发等领域的发展。  尽管在技术路线上,团队选择了变频比特以及耦合强度可调的架构设计路线,但查辰观察到,近年来,各大团队似乎在技术上呈现趋同的进化趋势,这表明在技术发展过程中,各团队都在不断借鉴和吸纳彼此优点。  因此,“迈向下一步跨越”是个难题。朱晓波说,这包括如何构建完整的量子计算生态体系,形成从芯片制备到应用开发的一整套技术能力,“只有啃下一个个硬骨头,量子计算才能从实验室走向更为深远的实际应用,贴近百姓生活”。  平时,朱晓波总是和团队年轻人念叨,作为一项具有重大战略意义的前沿技术,量子计算每一个环节都充满挑战与不确定性,从基础理论探索到关键技术突破,再到实际应用落地,绝非一蹴而就。“我们不仅要怀抱‘十年磨一剑’的科研理念,还要充分尊重科研规律,深刻理解量子科技。”  团队成员、中国科大在读博士高岽鑫将这些话牢牢记在心里。他自豪地说,量子计算对我国高水平科技自立自强必然有重大意义,作为青年科研人员,庆幸能让个人求知欲与国家需求同频共振。在参加一些课堂交流和学术活动时,他会习惯性地将这些信息传递给更年轻的学弟学妹们。  他说:“希望学弟学妹们在校期间,对量子计算、人工智能、机器人与自动化等前沿领域保持了解和兴趣,便于后期投身相关事业科研报国。希望未来能够见证第一台通用量子计算机在中国诞生!”  中青报·中青网记者 王海涵 王磊

“祖冲之三号”的攀登之路
“祖冲之三号”的攀登之路

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