本文主要介绍中国科学家在超导量子计算领域取得的重大成果，即构建出“祖冲之三号”超导量子计算原型机，阐述了其计算能力、相关概念以及量子计算发展阶段等内容。
近期，中国的科学家们在超导量子计算这一前沿领域实现了极为重大的突破。他们成功打造出了名为“祖冲之三号”的超导量子计算原型机，这台原型机拥有多达105个量子比特呢。通过随机线路采样（RCS）实验，“祖冲之三号”再一次刷新了量子计算优越性的纪录。你知道这有多厉害吗？它处理“量子随机线路采样”问题的速度，那可比当下国际上速度最快的超级计算机还要快千万亿倍啊。而且，这一成果非常重磅，已经以封面论文的形式，发表在了国际权威的物理期刊《物理评论快报》（Physical Review Leters，简称为PRL）上了。
可能很多人会疑惑，快千万亿倍这到底是怎样一个概念呢？量子计算优越性又究竟代表着什么含义呢？“祖冲之三号”此次的进展对整个量子计算领域来说又意味着什么呢？我们距离能够使用量子计算机还有多长的路要走呢？下面咱们就一起深入探究一下这些问题吧。
先来说说“祖冲之三号”这次的突破到底有多大。量子有一个很特殊的性质，那就是叠加态。这个叠加态意味着每个量子比特都能够同时编码2个状态。随着量子比特数量不断地增加，量子系统能够编码的状态数量会像爆炸一样呈指数级增长。打个比方，如果我们把量子处理器看作是一个超级大脑的话，那么量子比特就相当于这个大脑里的神经元。神经元的数量越多，大脑就能够处理越复杂、信息量越庞大的信息，也就代表着它有能力去解决那些更棘手的问题。
(“祖冲之三号”芯片示意图)
“祖冲之三号”拥有105个量子比特，这就使得它能够编码2的105次方个状态。和它的上一代“祖冲之二号”（“祖冲之二号”只有66个量子比特）相比，它们二者在编码状态空间大小上的差距达到了约5千亿倍。不过呢，这还只是编码空间方面的差距，要是衡量实际计算能力的差距时，还得把量子门操作和读取的保真度考虑进去。
这里就不得不提到“保真度”这个在量子计算里非常重要的概念了。简单来讲，保真度就像是量子操作的“精准度”，它是用来衡量实际操作和理想操作之间相似程度的一个指标。保真度越高，就表明实际的量子操作越接近理想状态，这样产生的误差也就越小。“祖冲之三号”量子计算机在三个关键的指标上都取得了很高的保真度，其中并行单比特门保真度达到了99.90%、并行两比特门保真度达到了99.62%、并行读取保真度达到了99.13%。这么高的保真度就如同给量子计算机安装上了高精度的“眼睛”和“手”，让它能够更加精准地去执行那些复杂的量子算法。
所以说，“祖冲之三号”的成功构建，从两个重要的方面对量子计算产生了巨大的推动作用。一方面，它极大地提升了量子计算机计算能力的上限，从而让量子计算机能够处理更为复杂的问题；另一方面，它为量子纠错提供了更多的资源，这样就有望实现码距更高的表面码逻辑比特，进而降低量子计算的错误率，这对推动量子计算机从实验室走向实际应用有着非常关键的意义。
接下来我们探讨一下科学家们所追求的量子计算优越性到底意味着什么。当我们提到量子计算以及量子计算优越性的时候，有一个词是绕不开的，那就是量子随机线路采样（RCS）。它可是目前衡量量子计算机性能的一个重要标准呢。
在经典计算机进行计算的时候，通常的做法是先把需要处理的数据输入到系统里面，然后依据特定的算法去执行一系列的逻辑门操作，等这些操作都完成之后，得到的处理后的数据就是计算结果了。量子计算机的计算过程和这个是类似的。
而量子随机线路采样呢，是先把量子信息导入，接着运行一系列的量子逻辑门操作，最后对最终的量子态计算结果进行取样。在量子随机线路取样这个任务里，随机性主要体现在科学家们会随机选取多种量子逻辑门操作，这样就能获得多种随机的量子态计算结果。通过对这些计算结果进行统计分析，就可以得到量子计算机在多种情况下计算结果的准确程度，进而对量子计算机的整体性能进行全面的评估。
所以，我们可以这么说，在实现量子随机线路采样这个任务上表现得越好，量子计算机的性能就越强。当量子计算机在某些特定的问题上，它的计算能力能够超越最强的经典计算机的时候，我们就把这种情况称为量子计算优越性。
“量子计算优越性”的研究有着里程碑一样的重要意义。它不但验证了量子力学原理在计算领域的可行性和巨大的潜力，为量子计算理论的发展提供了实验方面的支撑，展示了量子计算机真正具备超越经典计算机算力的能力，推动了第二次量子革命向前发展，还为量子计算机向着终极目标——实现可容错的通用量子计算机——奠定了坚实的基础。
最后我们来看看，我们距离能够使用量子计算机还有多远呢？“祖冲之三号”超导量子计算原型机已经实现了目前超导体系最强的量子计算优越性，那是不是就意味着我们很快就能用上量子计算机了呢？
如今，随着人工智能、气候模拟等领域的复杂度不断飙升，由于晶体管已经快要逼近物理极限了，摩尔定律也逐渐失去了效力，我们现在使用的经典计算机已经很难满足呈指数级增长的计算需求了。所以，人们都把希望寄托在量子计算机上，盼望着量子计算机能够早日实现应用，从而帮助我们解决算力提升的问题。
然而，要想实现量子计算机的实用化，这可不是一件能够一下子就完成的事情。目前，科学家们把量子计算的发展大致划分为三个阶段。
第一个阶段是实现量子计算优越性，也就是要相干操纵50多个量子比特，让其在对特定问题的计算能力上超越最快的超级计算机。
第二个阶段是实现专用量子模拟机，这就需要相干操纵数百至上千个量子比特，用它来解决经典计算机无法胜任的一些重要的科学问题，比如量子化学、高温超导机理、拓扑物态等方面的问题。
第三个阶段是实现通用容错量子计算机，这就要求在量子纠错的辅助下相干操纵至少上百万量子比特，用它来解决经典密码破解、人工智能、材料设计、生物制药等领域的计算难题。
要是想要达到量子计算机发展的第三个阶段——通用可容错的量子计算机，实现量子计算的全面实用化，那就需要借助量子纠错算法来降低逻辑比特的错误率。目前，科学家们预计，大概需要10 - 15年左右的时间，才能够构建起拥有数千逻辑比特且逻辑错误率控制在1e - 10量级的量子计算原型机。
中国科学家构建的“祖冲之三号”超导量子计算原型机意义非凡，它在量子比特数量、保真度等方面的成果体现了其巨大突破，刷新量子计算优越性纪录。量子计算优越性通过量子随机线路采样衡量，这一成果推动了量子计算发展。量子计算发展分三个阶段，要达到通用可容错量子计算机的实用化还需10 - 15年左右。
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