中國「祖沖之三號」量子晶片：全球量子霸權競賽的新標竿

中國「祖沖之三號」量子晶片：全球量子霸權競賽的新標竿

中國科學家近日發表「祖沖之三號」量子處理器，在全球科技界掀起波瀾。這款105量子位元超導晶片宣稱，運算速度比全球最快的超級電腦快一千兆倍。這項突破由中國科學技術大學（USTC）團隊取得，標誌著國際量子霸權競賽進入關鍵時刻，不僅挑戰Google等美國科技巨頭的主導地位，也引起全球各國政府、產業領袖與研究人員高度關注。

祖沖之三號為何如此具有革命性？

祖沖之三號處理器以其規模、速度和精密工程技術脫穎而出。晶片包含105個transmon量子位元，也就是量子電腦中作為基本資訊單位的量子位元，並以15乘7的矩形陣列排列。這些量子位元採用鉭、鈮和鋁等先進材料製成，有助於降低雜訊並提升穩定性；這兩項因素對可靠的量子運算至關重要。

祖沖之三號採用的超導量子位元，必須維持量子態（稱為相干性）足夠長的時間，才能執行複雜運算。新晶片的相干時間最高可達72微秒，退相位時間則為58微秒，兩項指標都被視為世界級水準。這些進步來自縝密的工程設計，包括最佳化量子位元設計、改良製程，以及採用銦凸塊覆晶接合製程，以高精度、低污染的方式接合元件。

量子閘保真度，也就是量子運算執行準確度的衡量指標，同樣創下新高。祖沖之三號的單量子位元閘保真度達99.90%，雙量子位元閘保真度則達99.62%，與Google最新量子晶片的指標相當，甚至更勝一籌。

祖沖之三號與競爭對手相比有多快？

祖沖之三號最引人注目的宣稱，是它在隨機電路取樣（RCS）基準測試中的表現。這項旨在展現量子運算優勢的測試，會執行一連串複雜的量子運算，並測量產生的輸出分布。隨著量子位元數量和電路深度增加，這項任務很快就會超出傳統超級電腦的運算能力。

在近期一項實驗中，祖沖之三號只花了數百秒，就完成包含83個量子位元、32個週期的RCS任務。據估算，若要用全球最快的傳統超級電腦Frontier模擬同一項任務，約需64億年。作為對照，Google的Sycamore晶片曾在2019年以「量子霸權」引發關注，當時它在200秒內完成類似任務；Google宣稱，傳統電腦需要1萬年才能完成。祖沖之三號的躍進不只是漸進式提升，而是呈指數級成長，將運算能力的差距擴大了六個數量級。

Google最新的Willow晶片同樣是105量子位元裝置，也取得類似成果；據稱，若以傳統超級電腦模擬其RCS實驗，需要10²⁵年。然而，由於實驗配置與電路複雜度不同，兩者難以直接比較。儘管如此，專家普遍認為，祖沖之三號與Willow目前都處於量子硬體領域的前沿，各自推進技術所能達到的極限。

工程創新：突破的核心

祖沖之二號的66個量子位元躍升至祖沖之三號的105個量子位元，並非單純擴大規模，而是仰賴一系列工程突破：

• 材料科學：以鉭、鈮和鋁製作量子位元，可降低雜訊並延長相干時間，讓晶片得以執行更長、更複雜的運算。
• 覆晶接合：銦凸塊覆晶接合製程可精確對位並整合兩片藍寶石晶片，每片晶片各包含部分量子位元陣列。此方法能減少污染並提升訊號完整性。
• 最佳化量子位元設計：電容器焊墊設計、約瑟夫森接面參數和佈線配置方面的進展，降低了錯誤率並提升穩定性。
• 高保真度運算：閘保真度達到99.9%以上，對實用量子運算至關重要，因為即使是微小錯誤，也可能在大型電路中迅速累積。

這些創新讓祖沖之三號達到新的運作保真度與錯誤率標準，為更可靠、可擴展的量子系統鋪路。

量子霸權究竟代表什麼？

「量子霸權」指的是量子電腦能執行一項任務，而任何傳統電腦，即使是最強大的超級電腦，也幾乎不可能完成的時刻。目前，RCS基準測試是展現這項優勢的黃金標準。不過，必須注意的是，測試中的任務對多數實際應用並無直接用途；這些任務是刻意設計成傳統電腦難以處理、量子電腦則較容易完成。

祖沖之三號總設計師朱曉波指出，量子運算的發展路線圖分為三個階段：

• 在特定任務上超越傳統超級電腦（量子霸權）
• 在最佳化、化學和機器學習等領域找到實用的量子應用
• 實現通用、容錯的量子運算，能夠解決各種問題

祖沖之三號的成就，是第一階段的一項重要里程碑；但邁向實用、通用量子電腦的旅程仍在進行中。專家估計，通用容錯量子運算至少還需要15年才能實現。

祖沖之三號與Google Willow及全球其他研究相比如何？

祖沖之三號的發表加劇了全球量子運算競爭，尤其是中國與美國之間的角力。兩國都投入大量資源進行量子研究，並看好這項技術在經濟、科學和軍事領域的應用潛力。

Google於2024年底推出的Willow晶片同樣具備105個量子位元，並在RCS基準測試中展現出色表現。比較分析指出，Willow在相干時間和閘保真度等部分量子位元品質指標上略占優勢；但在其他方面，包括RCS實驗的規模和速度，祖沖之三號則與之匹敵，甚至更勝一籌。

該領域的其他主要參與者包括IBM，該公司以自家的超導量子位元技術採取不同路線；此外，中國團隊也在研發光子量子電腦，例如「九章」系列。各種技術路線各有優勢與挑戰，整個領域仍快速發展，新的突破持續出現。

地緣政治利害關係

量子霸權競賽不只是科學競爭，也牽涉重大地緣政治影響。量子電腦有潛力徹底改變密碼學、材料科學、製藥、物流和人工智慧，也可能讓現行加密方法失效，引發對網路安全與國家安全的疑慮。

美國國防部等機構已將中國在量子技術領域的快速進展列為潛在戰略威脅，並指出中國正積極發展量子成像、導航、雷達與安全通訊。祖沖之三號的發表很可能加速全球對量子技術的投資與研究。

前方挑戰：錯誤更正、可擴展性與實際應用

儘管祖沖之三號成就卓著，量子電腦要真正實現實用應用的潛力，仍面臨重大挑戰：

• 錯誤更正：量子系統天生脆弱，複雜運算過程中錯誤可能迅速累積。要擴展至規模更大、實用性更高的機器，開發穩健的量子錯誤更正方法至關重要。祖沖之團隊正積極研究表面碼錯誤更正，目標是增加碼距並提升容錯能力。
• 可擴展性：在維持相干性和低錯誤率的同時，整合數百甚至數千個高品質量子位元，是一項艱鉅的工程挑戰。晶片設計、材料和製程的創新將是關鍵。
• 與傳統系統整合：量子電腦必須能與傳統運算基礎設施無縫介接，才能在真實場景中發揮用途。
• 演算法開發：RCS基準測試雖展現量子優勢，但如何開發出能比傳統方法更快解決實際問題的演算法，仍是有待探索的研究領域。

隨著傳統模擬技術和演算法持續進步，展現量子優勢的門檻也不斷提高。有些批評者認為，RCS基準測試雖然令人印象深刻，卻未必能直接轉化為實際影響。儘管如此，硬體、錯誤更正和演算法開發持續進展，正讓實用量子運算逐步接近現實。

更廣泛的影響：量子運算將如何改變世界？

祖沖之三號這類量子電腦的問世，可能改變整個產業。潛在應用包括：

• 密碼學：量子電腦可能破解廣泛使用的加密方案，因此需要開發抗量子密碼技術。
• 藥物研發：量子模擬可模擬複雜分子和化學反應，加速新藥開發。
• 材料科學：量子電腦可協助設計具備理想特性的新材料，應用於能源、電子和製造業。
• 最佳化：量子演算法可能比傳統電腦更有效率地解決物流、金融和供應鏈管理中的複雜最佳化問題。
• 人工智慧：量子機器學習可能為資料分析和模式識別開創新方法。

這些可能性目前大多仍停留在理論階段，但技術快速進展顯示，實用量子應用可能在未來十年內出現。

業界觀點：專家怎麼說

同儕審查者與專家稱讚祖沖之三號研究是相較先前裝置的一大升級，並指出其性能領先全球、工程技術精良。諾貝爾獎得主法蘭克·維爾切克談到量子技術的變革潛力時表示：

這些量子工具將促進更先進的量子技術發展，進一步帶動創新與突破。

總設計師朱曉波闡述團隊的未來願景：

我們的發展藍圖不僅包括超越傳統超級電腦，也包括尋找實用的量子應用，並最終實現通用容錯量子運算。

研究團隊正積極探索量子錯誤更正、糾纏、模擬和量子化學等領域，為下一代量子技術奠定基礎。

總結

• 中國的祖沖之三號量子晶片配備105個超導量子位元，宣稱運算速度比全球頂尖超級電腦快一千兆倍。
• 晶片的工程創新包括先進材料、高保真度運算與可擴展架構，為量子硬體樹立新標竿。
• 祖沖之三號在隨機電路取樣測試中勝過Google的Sycamore晶片，但與Google Willow晶片的直接比較較為複雜。
• 這項突破加劇全球量子霸權競賽，並帶來重大地緣政治與經濟影響。
• 錯誤更正、可擴展性和實用量子演算法的開發，仍是主要挑戰。
• 量子運算有望革新密碼學、藥物研發、材料科學、最佳化和人工智慧等領域。
• 專家肯定祖沖之三號是一項里程碑，但也強調邁向通用容錯量子運算的旅程仍在持續。