2025年量子芯片将行至何处？

2024年最后一个月，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分钟内完成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能的上限。

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正错误。

在量子纠错的过程中，增加物理量子比特的数量能够提升对物理错误的抑制能力，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能随着编码规模的扩大而增强。

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，逻辑量子比特以低于量子纠错阈值的错误率运行。谷歌团队测试了表面码码距为3、5和7的物理量子比特阵列，错误率随着码距增加依次减半。

国盾量子云平台负责人储文皓向《中国电子报》记者表示，低于阈值的量子纠错，为量子计算芯片的Scaling Law（缩放定律）奠定了基础，只要产业界能通过工艺技术集成更多的量子比特，并提升量子计算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%。

据储文皓介绍，量子保真度分为读取保真度、单比特门保真度、双比特门保真度，指代的是在量子计算中，对于单个或多个量子比特进行同时操作以及整体读取时的正确率。保真度越高，对量子比特的操控和读取就越准确。

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态（激发态）返回到低能态的时间，类比经典计算就是经典比特从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，使量子比特可以在较长时间内保持稳定的状态，从而提高计算的准确性和可靠性。

更强的处理能力

基于量子比特规模的增加、操作保真度的提升、相干时间的延长以及工艺技术的改善，Willow和祖冲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，并编码一个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数量提升10倍。如果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。

(家电网® HEA.CN)