2021年潘建伟团队成功研发出“九章二号”
量子估算是基于量子热学的全新估算模式，具有原理上远超精典估算的强悍并行估算能力，为人工智能、密码剖析、气象预报、资源钻探、药物设计等所需的大规模估算困局提供了解决方案，并可阐明量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂化学机制。
与传统计算机使用0或则1的比特来储存信息不同，量子估算以量子比特作为信息编码和储存的基本单元。基于量子热学的叠加原理，一个量子比特可以同时处于0和1两种状态的相干叠加，即可以用于表示0和1两个数。推而广之，n个量子比特便可表示2n个数的叠加，致使一次量子操作原理上可以同时实现对2n个叠加的数进行并行运算，这相当于精典计算机进行2n次操作。为此，量子估算提供了一种从根本上实现并行估算的思路，具备极大赶超精典计算机运算能力的潜力。
类似于精典计算机，量子计算机也可以承袭图灵机的框架，通过对量子比特进行可编程的逻辑操作，执行通用的量子运算，进而实现估算能力的急剧提高，甚至是指数级的加速。一个典型的事例是1994年提出的快速质质数分解量子算法（Shor算法）。质质数分解的估算复杂度是广泛使用的RSA私钥密码系统安全性的基础。诸如，假如用每秒运算万亿次的精典计算机来分解一个300位的大数，须要10万年以上；而假如借助同样运算速度、执行Shor算法的量子计算机，则只须要一秒。为此，量子计算机一旦研发成功，将对精典信息安全体系带来巨大影响。
量子估算的发展阶段
量子计算机的估算能力随量子比特数量呈指数下降，因而量子估算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。按照相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认量子估算有如下发展阶段：
第一个阶段是实现“量子估算优越性”，即量子计算机对特定问题的估算能力赶超精典超级计算机量子计算和量子通讯，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。日本微软公司在2019年率先实现超导线路体系的“量子估算优越性”。我国则分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子估算优越性”。目前，我国是世界上惟一在两种化学体系达到这一里程碑的国家。
第二个阶段是实现专用量子模拟机，即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子物理、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等。达到该阶段须要5至10年，是当前的主要研究任务。
第三个阶段是实现可编程通用量子计算机，即相干操纵起码数百万个量子比特，能在精典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。因为量子比特容易遭到环境噪音的影响而出错，对于规模化的量子比特系统，通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求，也是一段时期内面临的主要挑战。因为技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明晰，国际学术界通常觉得还须要15年甚至更长时间。
目前，国际上正在对各类有望实现可扩充量子估算的化学体系举办系统性研究。我国已完成了所有重要量子估算体系的研究布局，成为包括欧共体、美国在内的三个具有完整布局的国家（地区）之一。
超导量子估算实现超越
目前，新加坡微软公司、IBM公司以及中国科学技术学院是全球超导量子估算研究的前三强。2019年10月，在持续重金投入量子估算10余年后，微软即将宣布实验证明了“量子估算优越性”。她们建立了一个包含53个超导量子比特的量子处理器，命名为“（乌桕）”。在随机线路采样这一特定任务上，“悬铃木”展现出远超超级计算机的估算能力。2021年5月，中国科学技术学院建立了当时国际上量子比特数量最多的62比特超导量子估算靶机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走。在此基础上，进一步实现了66比特的“祖冲之二号”。“祖冲之二号”具备执行任意量子算法的编程能力，实现了量子随机线路采样的快速求解。按照目前已公开的最优化精典算法，“祖冲之二号”对量子随机线路采样问题的处理速率比目前最快的超级计算机快1000万倍，估算复杂度较微软“悬铃木”提高了100万倍。
其他体系的量子估算研究
离子、硅基量子点等数学体系同样具有多比特扩充和容错性的潜力，也是目前国际量子估算研究的热点方向。我国在离子体系的量子估算研究上起步较晚，目前整体上处于追赶状态，国外的优势研究单位包括北大学院、中国科学技术学院和国防科技学院等，在离子阱的制备、单离子相干保持时间、高精度量子逻辑门、多比特量子纠缠等量子估算的基本要素方面积累了大量关键技术。我国在硅基量子点的量子估算方向上与国际主要研究力量处于并跑水平。据悉，因为拓扑量子估算在容错能力上的优越性，借助拓扑体系实现通用量子估算是国际前面向长远的重要研究目标。目前国外外均在为实现单个拓扑量子比特这一“0到1”的突破而努力。
量子估算的未来发展
在实现了“量子估算优越性”的阶段目标后，未来量子估算的发展将集中在两个方面：一是继续提高量子估算性能。为了实现容错量子估算，首要考虑的就是怎样高精度地扩充量子估算系统规模。在实现量子比特扩充的时侯，比特的数目和质量都非常重要，须要实验的每位环节（量子态的制备、操控和检测）都要保持高精度、低噪音，而且随着量子比特数量的降低，噪音和杂讯等诱因带来的错误也急剧降低，这对量子体系的设计、加工和调控带来了巨大的挑战，仍需大量科学和工程的协同努力。二是探求量子估算应用。预计未来5年，量子估算有望突破上千比特，尽管暂时还未能实现容错的通用量子估算，但科学家们希望探求在带噪音的量子估算（NISQ）阶段量子计算和量子通讯，将量子估算应用于机器学习、量子物理等领域，产生近日应用。