量子估算是一種基于量子熱學(xué)的估算模式，借助量子比特作為信息編碼和儲(chǔ)存的基本單元。
量子計(jì)算機(jī)可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)或須要很長(zhǎng)時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)的任務(wù)大學(xué)量子物理排名，比如解決復(fù)雜的優(yōu)化問題、模擬復(fù)雜的化學(xué)過程、加速人工智能等。
量子計(jì)算機(jī)的估算能力存在遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的潛力，可以將個(gè)別在電子計(jì)算機(jī)上指數(shù)下降復(fù)雜度的問題變?yōu)榉匠滔陆祻?fù)雜度。
2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院北京微系統(tǒng)所、中國國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心共同合作研制的76個(gè)光子的量子估算靶機(jī)“九章”宣布建立成功。
2021年10月26日，113個(gè)光子144模式的量子估算靶機(jī)“九章二號(hào)”宣布建成。該靶機(jī)達(dá)成了量子估算研究的第一個(gè)里程碑：量子估算優(yōu)越性（舊稱為量子霸權(quán)）。
這意味著“九章”對(duì)于處理個(gè)別特定問題的速率比超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬億倍，并宣稱等效地比微軟的超導(dǎo)量子比特計(jì)算機(jī)“懸鈴木處理器”（）快100億倍。
這么，“九章”是怎樣實(shí)現(xiàn)這樣驚人的性能的呢？它又有什么實(shí)際應(yīng)用和前景呢？
“九章”的原理和特征
“九章”的名子來始于中國最早的語文著作《九章算術(shù)》，蘊(yùn)意著中國在物理和科學(xué)領(lǐng)域的悠久歷史和創(chuàng)新精神。
“九章”采用了光學(xué)量子估算的方法，即使用光作為化學(xué)載體來實(shí)現(xiàn)量子比特和量子邏輯門。
光學(xué)量子估算有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
-光具有很高的含量和穩(wěn)定性，不易遭到環(huán)境干擾，因而可以減少偏差率和提升可靠性。
-光可以在自由空間中傳播，不須要特殊的芯片或線路，因而可以降低成本和復(fù)雜度。
-光可以通過非線性光學(xué)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)多光子之間的糾纏和操作，因而可以提升并行度和效率。
“九章”的核心部件是一個(gè)巨型光學(xué)平臺(tái)，占地約2平方米，里面鋪滿了數(shù)百個(gè)鏡框、分束器、相位器、探測(cè)器等器件。
這種器件構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的光路網(wǎng)路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的精確控制和檢測(cè)。
“九章”的工作原理是這樣的：
-首先，通過激光和非線性晶體，形成一束包含76個(gè)單光子的糾纏態(tài)光。
-之后，將這束光輸入到光學(xué)平臺(tái)上，經(jīng)過一系列的分束、反射、相移、重組等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的量子邏輯門操作。
-最后，將輸出的光子通過偵測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，得到估算結(jié)果。
“九章”的主要功能是解決一個(gè)稱作高斯玻色采樣（boson，GBS）的問題。
這是一個(gè)在精典計(jì)算機(jī)上十分困難的問題，但在量子計(jì)算機(jī)上卻可以高效地解決。
GBS問題的意義在于它可以拿來模擬復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)和物理反應(yīng)大學(xué)量子物理排名，進(jìn)而為材料科學(xué)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域提供有價(jià)值的信息。
“九章”的研制團(tuán)隊(duì)借助“九章”對(duì)GBS問題進(jìn)行了測(cè)試，并與“富岳”進(jìn)行了對(duì)比。
她們發(fā)覺，“九章”求解5000萬個(gè)樣本的GBS問題只需200秒，而“富岳”則須要6億年；當(dāng)求解100億個(gè)樣本時(shí)，“九章”需10小時(shí)，而“富岳”則須要1200億年。
這就證明了“九章”在這個(gè)問題上具有量子估算優(yōu)越性。
“九章”的應(yīng)用和前景
“九章”的成功建立，標(biāo)志著中國在量子估算領(lǐng)域取得了世界領(lǐng)先的成果，也為量子估算的實(shí)際應(yīng)用開辟了新的可能性。
“九章”可以拿來解決一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法處理的問題，比如：
-人工智能：量子估算可以加速人工智能的學(xué)習(xí)和推理過程，提升其確切性和效率。
比如，洛克希德馬丁公司計(jì)劃借助其D-Wave量子計(jì)算機(jī)來測(cè)試由于過分復(fù)雜而難以在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的手動(dòng)駕駛軟件，也正在借助量子計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)才能將汽車與地標(biāo)區(qū)分開來的軟件。
-分子建模：量子估算可以對(duì)分子互相作用進(jìn)行精確建模，為物理反應(yīng)找到最優(yōu)配置。
這可以帶來更高效的產(chǎn)品，從太陽能電板到醫(yī)療服藥都是這么，尤其是農(nóng)藥產(chǎn)品。農(nóng)藥占全球能量消耗的2%，更高效的農(nóng)藥對(duì)全球能量和環(huán)境好處深遠(yuǎn)。
-加密：量子估算可以破解傳統(tǒng)的基于大數(shù)分解或橢圓曲線等物理困局的加密方式，也可以借助量子糾纏等特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)更安全的量子加密方式。
這對(duì)于網(wǎng)路安全、信息保護(hù)、隱私保護(hù)等領(lǐng)域都有重要意義。
-金融建模：量子估算可以處理復(fù)雜的金融數(shù)據(jù)和市場(chǎng)模型，提供更確切和高效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、投資策略、套利機(jī)會(huì)等信息。
-天氣預(yù)報(bào)：量子估算可以模擬復(fù)雜的氣象系統(tǒng)和氣候變化，提供更精確和及時(shí)的天氣預(yù)報(bào)和洪災(zāi)預(yù)警。