全波电磁仿真——超导量子芯片研发的“加速器”

2024年12月10日，谷歌公布了其量子芯片的最新进展：Willow芯片在RCS（随机线路采样）基准测试中建立了史无前例的量子优势——能够在5分钟内完成当下最先进的超级计算机需要1025（10亿亿亿）年才能完成的计算。这个时间跨度是什么概念？从创世之初到天荒地老也算不完！此外，这款芯片还首次实现了表面码纠错的历史性突破：纠错后的逻辑量子比特错误率低于所有参与纠错的物理量子比特。

就在谷歌最强量子芯片Willow发布刚满一周之际，我国研制的具备105个量子比特的超导量子计算机“祖冲之三号”的相关成果重磅发布。“祖冲之三号”处理器的各项性能指标与Willow旗鼓相当。其优越性能表明，我国在超导量子计算领域已达到国际最先进的水平，具备与国际顶尖科研力量一较高下的雄厚实力，为我国在量子信息科学领域的未来发展筑牢了坚实根基。

图1 祖冲之三号量子芯片

量子计算是一种全新的计算范式，有望为人类提供超乎想象的计算能力，从而对各个领域乃至我们日常生活产生极其深远的影响。目前，全球在超导量子计算、离子阱量子计算和光量子计算等多个技术路线上展开科技研发。其中，基于超导量子比特的方案凭借良好的工艺可扩展性、易于集成和读取等优势，成为现在各大头部公司最看好的技术方案。

量子芯片是量子计算的基本逻辑单元——量子比特的载体。此外，芯片上还需要排布与量子比特操控和测量相关的必要电路，包括读取谐振腔/传输线、微波/直流操控线等，以及实现量子纠缠所必需的耦合单元。

下图展示了一个量子比特电路的两个核心模块：