随着量子技术的发展，量子计算机逐渐进入到经典不可模拟的阶段。量子优越性实验通过对近百个量子比特的高精度量子调控，对特定问题的求解展现出超级计算机无法比拟的算力。

“祖冲之号”作为中国第一个超导量子原型计算机，目前已发展到约100个比特量级，在特定问题上计算速度比目前全球最快的超级计算机快一千万倍以上。“祖冲之号”超导量子计算机里面长什么样？它是如何通过超导材料实现量子计算的？

约瑟夫森结是超导量子线路中非常重要‍的组成部分。它得名于英国物理学家约瑟夫森（Brian David Josephson），他因为对约瑟夫森效应（Josephson effect）的成功预测获得了 1973 年的诺贝尔物理学奖。

▲约瑟夫森

约瑟夫森结是一个三明治形状的电路元件，它由两个“超导体”夹着一层薄薄的“非超导体”构成。这个“非超导体”可以是绝缘体，常规导体，甚至可以是一个点状的连接。总之，只要中间这层“非超导体”禁止了，但又没有完全禁止电流的通过，我们就有了一个约瑟夫森结。

2019年10月，美国谷歌团队设计、构建了包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器“悬铃木”，并宣布首次实现了“量子优越性”。然而，这一宣称随后受到了中国科学家的挑战，改进后的经典算法使得超算上的计算时间从一万年缩短到数十秒，快于“悬铃木”量子处理器。

▲谷歌“悬铃木”超导量子处理器

2021年6月，中国科学技术大学潘建伟团队在“祖冲之号“超导量子原型机上，使用56个量子比特，展示了相比于谷歌团队完成的更复杂度高2~3个量级的随机量子线路采样任务。祖冲之号将现存功能最强大的超级计算机需8年完成的任务样本压缩至最短 1.2 小时完成。

2022年，该团队又在升级后的66比特“祖冲之2.1”处理器上用时4小时展示了更为复杂的，超级计算机耗时4万8千小时的采样任务。

▲“祖冲之二号”超导量子计算原型机

2022年，在祖冲之2.1芯片上，首次实现了同时具有探错和纠错能力的表面码实验，该技术通过冗余编码，错误探测和纠错算法将量子计算机上的错误率进行压低。纠错码被认为是迈向大规模通融容错量子计算的重要一步。这一工作对于量子计算的意义是重大的。

2024年，祖冲之2.0系统对氢分子，氢化锂分子和氟分子进行模拟，展示了量子计算机进行大规模量子化学模拟的潜力。其中实验首次实现了对氢分子全键长的精确模拟和对氢化锂短键长的精确模拟。

祖冲之号量子计算机的发展一直保持在量子技术发展的前沿。这使得我们有能力在第二次量子革命兴起的起点上，跻身量子技术发展的第一梯队，这将是中国第一次有基础、有能力全面介入和参与的一次技术革命。

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来源：墨子沙龙

原标题：“圈圈圆圆圈圈”的超导量子计算机，凭什么比超级计算机还快？

编辑：Decoherence