引言

量子计算是一种利用量子力学原理进行信息处理的新型计算方式，它可以在某些问题上实现指数级的加速，超越经典计算机的能力。量子计算有望为物理学、化学、生物、人工智能、密码学等领域带来革命性的变化和突破。

然而，量子计算也面临着巨大的挑战，如如何制造和操控大量的高质量的量子比特，如何保护量子比特免受环境干扰和噪声影响，如何设计和实现有效的量子算法和协议等。目前，全球各国和企业都在积极投入资源和人力，争夺量子计算的制高点。

在这场竞赛中，中国科学技术大学潘建伟团队研发的超导量子计算原型机“祖冲之号”，以中国古代数学家祖冲之的名字命名，展现了中国在量子信息科学领域的强大实力和创新能力。它是目前世界上超导量子比特数量最多的量子计算原型机，也是中国首台实现可编程的二维量子行走和随机量子电路采样任务的量子计算原型机。它不仅刷新了中国在量子计算领域的纪录，也为全球量子计算技术发展树立了新的标杆。

祖冲之号的研发过程和团队

祖冲之号是由中国科学技术大学潘建伟院士领导的团队研发的，该团队由来自中科大、中科院上海技术物理研究所、中科院微电子研究所、中科院物理研究所等单位的专家组成。该团队长期从事量子信息科学的基础和应用研究，在光量子通信、光量子计算、超导量子计算等方面取得了一系列重要成果，为中国在国际上树立了良好的声誉。

祖冲之号采用了超导量子比特技术，这是目前最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一。超导量子比特是一种利用超导材料中约瑟夫森效应产生的非线性振荡器来实现的人工原子，其最低两个能级可以作为一个量子比特。超导量子比特具有制造简单、操作快速、集成度高等优点，但也存在相干时间短、耦合复杂、噪声敏感等缺点。

祖冲之号由66个Transmon型超导量子比特组成，排列成11*6的晶格结构。每个Transmon由一个约瑟夫森结和两个平行板电容组成，其频率可以通过改变约瑟夫森结电流来调节。相邻两个Transmon之间通过一个频率更高的Transmon作为耦合器连接，可以快速调整耦合强度。这样的结构可以实现高保真的单量子比特门和双量子比特门，以及高效的读出和控制。

祖冲之号于2020年5月8日正式推出，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走，这是一种模拟量子粒子在二维空间中随机移动的过程，可以用于探索量子力学和量子算法的性质。该项工作发表在《科学》杂志上，引起了国内外的广泛关注。

祖冲之号的主要研究成果和创新点

祖冲之号在推出后不久，就取得了新的突破。2021年7月2日，潘建伟团队发布了新的研究成果，利用56个量子比特进行了20个周期的随机量子电路采样任务，创造了挑战经典计算机的新纪录。该项工作预印版已上传至arXiv上。

随机量子电路采样是一种测试量子计算机性能的标准任务，其目的是生成一个服从某种概率分布的随机比特串。这种任务对于经典计算机来说是非常困难的，因为它需要模拟量子系统的指数级复杂度。而对于量子计算机来说，只需要执行一系列随机选择的单量子比特门和双量子比特门，然后对所有量子比特进行测量，就可以得到一个随机比特串。

潘建伟团队利用祖冲之号执行了这样的任务，并与世界最强的超级计算机“神威·太湖之光”进行了对比。结果显示，神威·太湖之光需要8年才能完成的任务，祖冲之号最短只需要1.2小时就能完成，并且保真度达到99.2%。这意味着祖冲之号实现了比谷歌Sycamore量子计算机更强2~3个数量级的量子计算优越性。

这一成果不仅展示了祖冲之号在超导量子计算领域的领先地位，也为未来设计更复杂和实用的量子算法提供了一个平台。

此外，祖冲之号还在2021年10月26日升级为祖冲之二号，可以操纵66个量子比特，并实现了对一类NP完全问题的指数加速。这类问题是指那些可以在多项式时间内验证解是否正确，但不能在多项式时间内找到解的问题，如旅行商问题、背包问题等。这些问题在经典计算机上是非常困难的，但在量子计算机上可能有更高效的解法。

潘建伟团队利用祖冲之二号执行了一种基于变分量子本征求解器（VQE）的算法，来求解一个具有66个变量和231个约束条件的NP完全问题。结果显示，该算法可以在平均3.5分钟内找到最优解，而经典计算机则需要数百年才能完成。这表明祖冲之二号实现了对这类NP完全问题的指数加速。

这一成果不仅展示了祖冲之二号在超导量子计算领域的进步，也为未来解决更多实际应用问题提供了一个可能性。

祖冲之号的应用前景和挑战

祖冲之号作为中国在超导量子计算领域的重要成果，对于推动量子计算技术发展、探索物理学前沿问题、解决实际应用问题等具有重要意义。它不仅展现了中国在量子信息科学领域的创新能力和国际竞争力，也为全球量子计算社区提供了一个优秀的研究平台和合作伙伴。

祖冲之号的应用前景十分广阔，它可以用于模拟复杂的量子系统，如量子多体物理、量子化学、量子生物等，揭示其深层次的规律和机理。它也可以用于设计和实现更高效的量子算法和协议，如量子优化、量子机器学习、量子密码学等，提升其性能和安全性。它还可以用于解决一些经典计算机难以处理的实际问题，如旅行商问题、背包问题、图着色问题等，为各行各业带来新的解决方案。

然而，祖冲之号也面临着不少挑战，如如何进一步提高量子比特数量和质量，如何降低系统噪声和误差，如何增强系统稳定性和可靠性，如何扩展系统功能和灵活性等。这些挑战需要在理论、实验、工程等多个层面进行攻关和创新，涉及到超导材料、微纳加工、低温制冷、微波控制、信号处理等多个领域的交叉和融合。

结论

祖冲之号是中国在超导量子计算领域的新里程碑，它以66个超导量子比特的规模和高保真的操作和读出，实现了可编程的二维量子行走、随机量子电路采样和NP完全问题加速等多项重要任务，展示了强大的量子计算优越性。它不仅为中国在国际上树立了良好的声誉和影响力，也为全球量子计算技术发展提供了新的动力和方向。

祖冲之号的未来发展方向和目标是继续增加量子比特数量和质量，提升系统性能和稳定性，扩展系统功能和灵活性，探索更多的物理问题和应用场景，与其他平台进行对比和合作，最终实现可拓展的通用量子计算。这需要解决许多理论和实验上的难题和困难，也需要更多的人才和资源的投入和支持。

祖冲之号是中国在量子信息科学领域的一面旗帜，也是全球量子计算领域的一颗明星。我们期待它能够在未来取得更多更好的成果，为人类社会带来更多更大的福祉。