在量子计算优越性的科研道路上，我国科学家又越过了一座山峰。
　　近期，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”。
　　“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，你追我赶，交替领先。
　　2019年，谷歌公司率先宣称实现量子计算优越性。
　　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“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，研制出实现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”芯片示意图

　　“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”，实现了关键性能的提升。
　　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容易出错。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。
　  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声，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2024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，花了两周时间排查，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。”付元豪感慨道。
　　在有关单位的支持下，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。
　　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。第三阶段要想实现量子计算全面实用化，需要研发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。
　　（据《中国青年报》2025年3月24日第3版，有删节）