2025年量子芯片将行至何处？

“祖冲之三号”量子处理器示意图

来源：中国科大团队发布于预印本平台arXiv的论文

2024年最后(hòu)一(yī)个(gè)月(yuè)，谷歌和中国科学技术大学先后发布105比特的超导量子芯片，再度点燃了产业界对量子计算的热情。

谷歌团队基于量子处理器Willow，破解了困扰量子纠错领域近30年的关键问题，使量子纠错能够随着量子比特数的增加“越纠越对”，还在5分(fēn)钟(zhōng)内(nèi)完(wán)成(chéng)了当前最强大的超级计算机之一需要10的25次方年（比宇宙年龄还长）才能完成的计算任务(详见《马斯克、奥特曼点赞，谷歌量子芯片有多强？》)。

中国科大团队基于量子处理器“祖冲之三号”， 实现了比谷歌（SYC-67和SYC-70实验）更大规模的随机电路采样，经典模拟成本（经典计算机模拟该任务的成本）提升了6个数量级，树立了量子计算优势的新基准。

在电路规模、纠错效率、保真度、相干时间、处理能力上，量子芯片都取得了新的进展。

更大规模的量子电路

基于“祖冲之三号”量子处理器，中国科大团队实现了比谷歌上一代量子处理器“悬铃木”更大规模的随机电路采样，推高了当前量子硬件功(gōng)能(néng)的(de)上(shàng)限。

在基于“祖冲之三号”的随机电路采样实验中，中国科大团队构建了32次循环、83个量子比特的随机量子电路。此前，最大规模的随机量子电路由谷歌基于“悬铃木”处理器实现，包括32次循环、67 个量子比特的SYC-67实验和24次循环、70 个量子比特的SYC-70实验。

除了使用更多量子比特，中国科大团队的随机量子电路还追平了谷歌的循环数。循环数指线路深度，每一个循环包含单量子比特门和双量子比特门各一层。循环次数的增加，意味着能够实现更大的量子电路体积。

量子纠错新突破

由于量子比特容易受到环境中的噪声和干扰，变得不稳定，远高于经典计算的错误率就成为量子计算的一大挑战。1995年，麻省理工学院应用数学教授彼得·肖尔（Peter Shor）提出量子纠错理论，将多个物理量子比特编码为逻辑量子比特，基于两者的映射关系来检测并纠(jiū)正(zhèng)错(cuò)误(wù)。

在(zài)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)的(de)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，增(zēng)加(jiā)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)数(shù)量(liàng)能(néng)够(gòu)提(tí)升(shēng)对(duì)物(wù)理(lǐ)错(cuò)误(wù)的(de)抑(yì)制(zhì)能(néng)力(lì)，但也会导致错误的增加。因而，错误必须足够稀疏，才能使量子计算的逻辑性(xìng)能(néng)随(suí)着(zhe)编(biān)码(mǎ)规(guī)模(mó)的(de)扩(kuò)大而增强。

2024年12月，谷歌量子AI团队发布了一项基于Willow的突破性进展：随着量子比特数量的增加，错误率降低，使量子纠错“越纠越对”。

在基于Willow的量子纠错实验中，逻辑量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)以(yǐ)低(dī)于(yú)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)阈值的错误率运行。谷歌团队测试了表面码(mǎ)码(mǎ)距(jù)为(wèi)3、5和(hé)7的(de)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)阵(zhèn)列(liè)，错(cuò)误(wù)率(lǜ)随(suí)着(zhe)码(mǎ)距(jù)增(zēng)加(jiā)依(yī)次(cì)减(jiǎn)半(bàn)。

国(guó)盾(dùn)量(liàng)子(zi)云(yún)平(píng)台(tái)负(fù)责(zé)人(rén)储(chǔ)文皓(hào)向(xiàng)《中(zhōng)国(guó)电(diàn)子(zi)报(bào)》记(jì)者(zhě)表(biǎo)示(shì)，低(dī)于(yú)阈(yù)值(zhí)的(de)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)，为(wèi)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)芯(xīn)片(piàn)的(de)Scaling Law（缩(suō)放(fàng)定(dìng)律(lǜ)）奠(diàn)定(dìng)了(le)(le)基(jī)(jī)础(chǔ)(chǔ)，只(zhǐ)(zhǐ)要(yào)(yào)产(chǎn)业(yè)界(jiè)能(néng)通(tōng)过(guò)工(gōng)艺(yì)技(jì)术(shù)集成(chéng)更(gèng)多(duō)的(de)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)，并(bìng)提(tí)升(shēng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机整机的工程化规模，就能够实现码距为9、码距为11，甚至码距为2n+1的大规模纠错结构，且纠错效率、保真度以及量子比特寿命都将随之提升。

正确率提升

在量子计算测试中，祖冲之三号和Willow都实现了高保真度。

祖冲之三号单比特门、双比特门和读出保真度分别为 99.90%、99.62% 和 99.18%。

在量子纠错测试中，谷歌Willow单比特门、双比特门、读取错误率的中位数分别为0.035%、0.33%和0.77%，也就是保真度中位数分别为99.97%、99.67%和99.23%；在RCS基准测试中的单比特门、双比特门、读取错误率中位数分别为0.036%、0.14%和0.67%，也就是保真度中位数分别为99.96%、99.86%和99.33%。

据储文皓介(jiè)绍(shào)，量(liàng)子(zi)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)分(fēn)为(wèi)读(dú)取(qǔ)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)、单(dān)比(bǐ)特(tè)门(mén)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)、双(shuāng)比(bǐ)特(tè)门(mén)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)，指(zhǐ)代(dài)的(de)是(shì)在(zài)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)中(zhōng)，对(duì)于(yú)单(dān)个(gè)或(huò)多(duō)个(gè)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)进(jìn)行(xíng)同(tóng)时(shí)操(cāo)作(zuò)以(yǐ)及(jí)整(zhěng)体(tǐ)读(dú)取(qǔ)时(shí)的(de)正(zhèng)确(què)率(lǜ)。保(bǎo)真(zhēn)度(dù)越(yuè)高(gāo)，对(duì)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)操(cāo)控(kòng)和(hé)读(dú)取(qǔ)就(jiù)越(yuè)准(zhǔn)确。

相干时间延长

另一个重要进展是相干时间的延长。祖冲之三号的能量弛豫时间（T1）和相位弛豫时间（T2）分别提升至72µs和58µs。Willow的T1时间提升至100µs，是上一代悬铃木处理器的5倍。

相干时间是比特能够维持量子状态的时间，相干时间结束后，量子比特会坍缩，无法再执行计算。更长的相干时间意味着量子能够维持更长时间的叠加态，完成更多计算。

据国仪量子介绍，T1时间和T2时间是相干时间的两个主要参数。T1时间是量子比特从高能(néng)态(tài)（激(jī)发(fā)态(tài)）返(fǎn)回(huí)到(dào)低(dī)能(néng)态(tài)的(de)时(shí)间(jiān)，类(lèi)比(bǐ)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算(suàn)就(jiù)是(shì)经(jīng)典(diǎn)比(bǐ)特(tè)从(cóng)1变回0的时间；T2时间是量子比特在叠加态中保持相位信息的时间，T2时间结束后，量子比特会丢失所携带的信息。较长的T1和T2时间，使量子比特可(kě)以(yǐ)在(zài)较(jiào)长(zhǎng)时(shí)间(jiān)内(nèi)保(bǎo)持(chí)稳(wěn)定(dìng)的(de)状(zhuàng)态(tài)，从(cóng)而(ér)提(tí)高(gāo)计(jì)算(suàn)的(de)准(zhǔn)确(què)性(xìng)和(hé)可(kě)靠(kào)性(xìng)。

更(gèng)强(qiáng)的(de)处(chù)(chù)理(lǐ)(lǐ)能(néng)(néng)力(lì)

基(jī)于(yú)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)规(guī)模(mó)的(de)增(zēng)加(jiā)、操(cāo)作(zuò)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)的(de)提(tí)升(shēng)、相(xiāng)干(gàn)时(shí)间(jiān)的(de)延(yán)长(zhǎng)以(yǐ)及(jí)工(gōng)艺(yì)技(jì)术(shù)的(de)改(gǎi)善(shàn)，Willow和(hé)祖(zǔ)冲(chōng)之三号在随机电路采样（RCS）基准测试中，都展现出较上一代量子处理器的更好成绩，进一步展现了量子计算优越性。

Willow在5分钟内，完成了当前最强大的超级计算机需要10的25次方年（比宇宙年龄还长）才能完成的计算任务。

祖冲之三号在几百秒内实现了对100 万个样本的采样，同等任务需要经典超级计算机Frontier大约 6.4×10的9次方年才能复制，经典模拟成本（经典计算机模拟该任务的成本）较谷歌的 SYC-67 和 SYC-70 实验提升了6个数量级，树立了量子计算优势的新基准。

2025年被寄予厚望

2025年，被联合国定为“量子科学与技术之年”。产业界有望在2025年看到更大量子比特规模的量子处理器及其工程化集成系统。按照量子计算路线图，谷歌将在2025年之后实现其“6个里程碑”的第3个，即构建1000物理量子比特的量子计算机(jī)，并(bìng)编(biān)码(mǎ)一(yī)个(gè)长寿命的逻辑量子比特。IBM将在2025年发布包含1386量子比特、具有量子通信链路的多芯片处理器“Kookaburra”。作为演示，IBM会将(jiāng)三个Kookaburra芯片接入一个包含4158量子比特的系统中。

谷歌量子计算路线图

（原图来自谷歌，中国电子报译）

在谷歌围绕“具备纠错能力的实用量子计算机”设计的路线图中，每一个里程碑的实现，都会将物理量子比特的(de)数(shù)量(liàng)提(tí)升(shēng)10倍(bèi)。如(rú)果(guǒ)芯片工艺能够匹配量子计算的脚步，量子芯片或将迎来自己的“摩尔定律”。

“最重要的是如何基于现有的芯片技术、芯片产业，去做好量子计算芯片在未来5到10年内的Scaling（扩展）。无论是把它的设计方案进一步精进，减少芯片制造过程中的薄膜缺陷、电路差损等问题；还是更好地嵌入现有的微纳加工工艺，在更微缩的制程上实现芯片的制备和表征；以及更好地实现封装工艺或者更底层技术范式的革新。”储文皓告诉《中国电子报》记者。

除了量子芯片，超导量子计算系统还包括低温组件、包含稀释制冷机的极低温极低噪声平台、室温端电子学测控系统、操控软件及系统等。储文皓表示，更大规模的稀释制冷机、更低温的射频电子学设备和传输设备，以及更加高效智能的基础软件，将与量子芯片的迭代一起，推动量子计算的创新发展。