祖冲之号(可编程超导量子计算原型机)

祖冲之号，是由中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，成功研制出的62比特可编程超导量子计算原型机。其命名源于发现了圆周率近似值以及创立割圆术的中国古代数学家祖冲之。

潘建伟、朱晓波、彭承志等长期瞄准超导量子计算的核心目标，于2019年初在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70％，打破了之前的纪录。随后该团队将芯片结构从一维扩展到准二维，制备出了包含24个比特的高性能超导量子处理器，并首次在固态量子计算系统中，实现了超过20比特的高精度量子相干调控。2021年5月，研究团队在自主研制二维结构超导量子比特芯片的基础上，成功构建了可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示，相关研究成果于2021年5月7日发表在国际学术期刊《科学》杂志上。同年10月26日，“祖冲之二号”原型机被团队成功研制。2023年5月31日，接入“祖冲之号”同款176比特超导量子计算机的新一代量子计算云平台在安徽合肥正式发布。刷新了中国云平台的超导量子计算机比特数纪录。2025年3月3日，超导量子计算原型机“祖冲之三号”研制成功，再次打破超导体系量子计算优越性世界纪录。

截至2025年3月，新型“祖冲之三号”共包含105个可读取比特和182个耦合比特，多项关键性能指标大幅提升。经测试，祖冲之三号完成83比特32层的随机线路采样，计算速度比当下最快的超级计算机快千万亿倍。“祖冲之号”的研究成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础，基于“祖冲之号”量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用，是后续发展的重要方向。

历史沿革

技术背景

量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。量子计算机研制作为世界科技前沿的重大挑战之一，已经成为欧美各发达国家竞相角逐的焦点。

超导量子计算，作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一，其核心目标是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能，从而能够高精度相干操控更多的量子比特，实现对特定问题处理速度上的指数加速，并最终应用于实际问题中。

前期工作

2019年初，在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70％（Phys. Rev. Lett. 122, 110501 (2019)），打破了之前创造的10个超导量子比特纠缠的纪录。同时，该团队开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中，为未来多体物理现象的模拟以及利用量子行走进行通用量子计算的研究奠定了基础（Science 364, 753 (2019)）。随后，团队将芯片结构从一维扩展到准二维，制备出包含24个比特的高性能超导量子处理器，并首次在固态量子计算系统中，实现了超过20比特的高精度量子相干调控(Phys. Rev. Lett. 123, 050502 (2019))。

2020年，中国科学家构建的76个光子的量子计算原型机“九章一号”，求解数学算法高斯萨特延德拉·玻色抽样只需200秒，使中国首次实现“量子计算优越性”。

研制过程

2021年5月7日，中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”。研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上，观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象，实验研究了二维平面上量子信息传播速度，同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪，实现了可编程的双粒子量子行走。相关研究成果被在线发表在国际学术期刊《科学》杂志上。同年5月，研究团队在“祖冲之一号”的基础上，研制成功了“祖冲之二号”，解决了大规模比特集成的问题。通过量子编程的方式，研究人员实现了对量子随机线路抽样，演示了“祖冲之二号”可用于执行任意量子算法的编程能力。

2021年6月28日，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟的团队在arXiv平台上传题为“Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor”（使用超导量子处理器具备强大的量子计算优势）的论文预印版。潘建伟团队称，为了证明量子计算的优越性，用高精度的控制将量子位扩展到大量量子位是必不可少的。该团队开发了一个二维可编程超导量子处理器——祖冲之号，它是由66个功能量子比特组成的可调谐耦合结构，这比之前的原型机增加了4个量子比特。潘建伟团队表示，实验结果表明，该处理器能够仅用56个量子比特、20个周期，就完成相关采样任务。

2021年10月26日，中国科学技术大学发布消息，潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中科院上海技术物理研究所合作，成功构建66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，使得中国首次在超导体系达到了“量子计算优越性”里程碑。此外，研究团队之一的国盾量子披露了最新进展：“祖冲之2.1”所完成任务的难度比“祖冲之2.0”又高出了3个数量级。

2022年，中国科学家在“祖冲之二号”超导量子处理器上实现了码距为3的表面码量子纠错，首次验证了表面码方案的可行性。

2023年5月31日，接入“祖冲之号”同款176比特超导量子计算机的新一代量子计算云平台在安徽合肥正式发布。刷新了中国云平台的超导量子计算机比特数纪录，也是国际上首个在超导量子路线上具有实现量子优越性潜力、对外开放的量子计算云平台，进一步推动量子计算软硬件发展及生态建设。

2024年8月，中国科学技术大学超导量子团队与北京大学理论团队合作的一项研究，实现了对氢气、锂氢化物和氟气等分子的基态能量近似求解，并在氢气和锂氢化物分子上达到了化学精度，而执行该次任务的便是超导量子计算机“祖冲之二号”。量子计算化学主要计算的就是原子核外电子相互作用形成的稳定状态和对应的能量大小，这次实验所获得高质量实验结果，既是对已有理论的实践检验，又是在含噪声的量子计算机上的实验技术实现，是推动量子计算化学从理论到实验实践的重要进步。

2024年12月17日，由中国科学家研制的105个量子比特的“祖冲之三号”量子计算机在arXiv线上发表。祖冲之三号超过了谷歌于2024年10月发表于《自然》期刊的进展——72比特“悬铃木属”处理器6个数量级，成为超导量子计算的最强优越性。中国科学技术大学超导量子团队基于“祖冲之三号”处理器开展相关工作，计划在数月内实现码距为7的表面码逻辑比特，并进一步将码距扩展到9和11，为实现大规模量子比特的集成和操纵铺平道路。

2025年3月3日，105比特超导量子计算原型机“祖冲之三号”研制成功，处理量子随机线路采样问题的速度比当下国际最快的超级计算机快千万亿倍，再次打破超导体系量子计算优越性世界纪录。国际知名学术期刊《物理评论快报》发表了这一成果，审稿人认为其“构建了目前最高水准的超导量子计算机”。

技术特点

祖冲之号

可编程超导量子计算原型机祖冲之号诞生时共包含62个比特。

祖冲之二号

祖冲之二号采用全新的倒装焊3D封装工艺，实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了10的19次方，计算速度比当下最快的超级计算机快了7个数量级。

祖冲之号量子计算云平台

2023年，中国科学技术大学“祖冲之号”研发团队在原“祖冲之号”66比特的芯片基础上做出提升，新增了110个耦合比特的控制接口，使得用户可操纵的量子比特数达到176比特。除了比特规模，在其他涉及量子计算机性能的连通性、保真度、相干时间等关键指标上，“祖冲之号”云平台接入的新一代量子计算机的设计指标也瞄准国际最高水平，不断在实际中调试提升其性能。