2021年潘建偉團隊成功研發出“九章二號”
量子估算是基于量子熱學的全新估算模式，具有原理上遠超精典估算的強悍并行估算能力，為人工智能、密碼剖析、氣象預報、資源鉆探、藥物設計等所需的大規模估算困局提供了解決方案，并可闡明量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等復雜化學機制。
與傳統計算機使用0或則1的比特來儲存信息不同，量子估算以量子比特作為信息編碼和儲存的基本單元。基于量子熱學的疊加原理，一個量子比特可以同時處于0和1兩種狀態的相干疊加，即可以用于表示0和1兩個數。推而廣之，n個量子比特便可表示2n個數的疊加，致使一次量子操作原理上可以同時實現對2n個疊加的數進行并行運算，這相當于精典計算機進行2n次操作。為此，量子估算提供了一種從根本上實現并行估算的思路，具備極大趕超精典計算機運算能力的潛力。
類似于精典計算機，量子計算機也可以承襲圖靈機的框架，通過對量子比特進行可編程的邏輯操作，執行通用的量子運算，進而實現估算能力的急劇提高，甚至是指數級的加速。一個典型的事例是1994年提出的快速質質數分解量子算法（Shor算法）。質質數分解的估算復雜度是廣泛使用的RSA私鑰密碼系統安全性的基礎。諸如，假如用每秒運算萬億次的精典計算機來分解一個300位的大數，須要10萬年以上；而假如借助同樣運算速度、執行Shor算法的量子計算機，則只須要一秒。為此，量子計算機一旦研發成功，將對精典信息安全體系帶來巨大影響。
量子估算的發展階段
量子計算機的估算能力隨量子比特數量呈指數下降，因而量子估算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。按照相干操縱量子比特的規模，國際學術界公認量子估算有如下發展階段：
第一個階段是實現“量子估算優越性”，即量子計算機對特定問題的估算能力趕超精典超級計算機量子計算和量子通訊，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。日本微軟公司在2019年率先實現超導線路體系的“量子估算優越性”。我國則分別于2020年在光量子體系、2021年在超導線路體系實現了“量子估算優越性”。目前，我國是世界上惟一在兩種化學體系達到這一里程碑的國家。
第二個階段是實現專用量子模擬機，即相干操縱數百個量子比特，應用于組合優化、量子物理、機器學習等特定問題，指導材料設計、藥物開發等。達到該階段須要5至10年，是當前的主要研究任務。
第三個階段是實現可編程通用量子計算機，即相干操縱起碼數百萬個量子比特，能在精典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。因為量子比特容易遭到環境噪音的影響而出錯，對于規模化的量子比特系統，通過量子糾錯來保證整個系統的正確運行是必然要求，也是一段時期內面臨的主要挑戰。因為技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚不明晰，國際學術界通常覺得還須要15年甚至更長時間。
目前，國際上正在對各類有望實現可擴充量子估算的化學體系舉辦系統性研究。我國已完成了所有重要量子估算體系的研究布局，成為包括歐共體、美國在內的三個具有完整布局的國家（地區）之一。
超導量子估算實現超越
目前，新加坡微軟公司、IBM公司以及中國科學技術學院是全球超導量子估算研究的前三強。2019年10月，在持續重金投入量子估算10余年后，微軟即將宣布實驗證明了“量子估算優越性”。她們建立了一個包含53個超導量子比特的量子處理器，命名為“（烏桕）”。在隨機線路采樣這一特定任務上，“懸鈴木”展現出遠超超級計算機的估算能力。2021年5月，中國科學技術學院建立了當時國際上量子比特數量最多的62比特超導量子估算靶機“祖沖之號”，并實現了可編程的二維量子行走。在此基礎上，進一步實現了66比特的“祖沖之二號”。“祖沖之二號”具備執行任意量子算法的編程能力，實現了量子隨機線路采樣的快速求解。按照目前已公開的最優化精典算法，“祖沖之二號”對量子隨機線路采樣問題的處理速率比目前最快的超級計算機快1000萬倍，估算復雜度較微軟“懸鈴木”提高了100萬倍。
其他體系的量子估算研究
離子、硅基量子點等數學體系同樣具有多比特擴充和容錯性的潛力，也是目前國際量子估算研究的熱點方向。我國在離子體系的量子估算研究上起步較晚，目前整體上處于追趕狀態，國外的優勢研究單位包括北大學院、中國科學技術學院和國防科技學院等，在離子阱的制備、單離子相干保持時間、高精度量子邏輯門、多比特量子糾纏等量子估算的基本要素方面積累了大量關鍵技術。我國在硅基量子點的量子估算方向上與國際主要研究力量處于并跑水平。據悉，因為拓撲量子估算在容錯能力上的優越性，借助拓撲體系實現通用量子估算是國際前面向長遠的重要研究目標。目前國外外均在為實現單個拓撲量子比特這一“0到1”的突破而努力。
量子估算的未來發展
在實現了“量子估算優越性”的階段目標后，未來量子估算的發展將集中在兩個方面：一是繼續提高量子估算性能。為了實現容錯量子估算，首要考慮的就是怎樣高精度地擴充量子估算系統規模。在實現量子比特擴充的時侯，比特的數目和質量都非常重要，須要實驗的每位環節（量子態的制備、操控和檢測）都要保持高精度、低噪音，而且隨著量子比特數量的降低，噪音和雜訊等誘因帶來的錯誤也急劇降低，這對量子體系的設計、加工和調控帶來了巨大的挑戰，仍需大量科學和工程的協同努力。二是探求量子估算應用。預計未來5年，量子估算有望突破上千比特，盡管暫時還未能實現容錯的通用量子估算，但科學家們希望探求在帶噪音的量子估算（NISQ）階段量子計算和量子通訊，將量子估算應用于機器學習、量子物理等領域，產生近日應用。