上海時(shí)間12月4日，‘九章’橫空出世。
這是由中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)與中科院北京微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，打造出的76個(gè)光子的量子估算截?fù)魴C(jī)。
明天，我們將用幾枚硬幣，向你解釋量子計(jì)算機(jī)的基本原理。
我們現(xiàn)今使用的計(jì)算機(jī)軟件，背后是一行行代碼，它們最終轉(zhuǎn)化成各類邏輯門，控制底層的一個(gè)個(gè)二補(bǔ)碼數(shù)——0和1。
這個(gè)基本單位稱作比特，在精典計(jì)算機(jī)里，每位比特要么是0，要么是1。而量子計(jì)算機(jī)不同，每一個(gè)量子比特既可以是0是1，也可以弄成0和1的疊加態(tài)。
哪些是疊加態(tài)？讓我們拿出一枚硬幣，瞧瞧它表面是哪些紋樣。
拋一萬(wàn)次，五千次見(jiàn)到花，五千次見(jiàn)到字。所以，硬幣表面的紋樣既有花又有字？未必，假如硬幣的表面是既有花又有字，為何一枚硬幣的花和字，未曾同時(shí)出現(xiàn)我們眼前，而是變幻詭譎，隨機(jī)出現(xiàn)？
學(xué)者們抓撓頭，最終嚴(yán)謹(jǐn)作答：硬幣的紋樣既是花又是字，花態(tài)和字態(tài)共同存在于硬幣中。但不是通常的同時(shí)存在，而是由50%的花態(tài)和50%的字態(tài)疊加上去的。紋樣的狀態(tài)，是花態(tài)和字態(tài)的疊加態(tài)。
是不是感覺(jué)很離譜？
事實(shí)上，疊加態(tài)正是這樣一種無(wú)奈的描述。當(dāng)研究者用同樣的實(shí)驗(yàn)方式，打下來(lái)的電子有時(shí)在這里有時(shí)在那里，光子有時(shí)走這條縫有時(shí)走那條縫，最終只能抓撓頭無(wú)奈地說(shuō)，它們的運(yùn)動(dòng)形式和最終位置都是由不同的態(tài)機(jī)率疊加上去的。
看似不能相容的狀態(tài)，卻共生一體，我們描述它為：疊加態(tài)——不同態(tài)幾率疊加的狀態(tài)。沒(méi)有人曉得為何會(huì)這樣。
將上帝的硬幣在指尖翻來(lái)覆去，在這樣的三維空間中，花和字一體兩面，同時(shí)存在于硬幣表面。但單用肉眼去看，或則拍一張二維的硬幣合照，我們只能見(jiàn)到硬幣的某一個(gè)面。
CoinToss，E。，1965。MIT
因而學(xué)者推測(cè)，顯然是由于我們的世界恰恰是更高維世界的投影，所以每次觀察和檢測(cè)到的位置、速度，都只是隨機(jī)地看見(jiàn)它不同的投影。
不過(guò)放心，這些現(xiàn)象只有在微觀世界里還能比較顯著地觀測(cè)到。像一元硬幣如此大的物體，只要角度和力度不變，拋出的花色都是一樣的。
好，讓我們繼續(xù)。再拿出三枚硬幣，制做一臺(tái)計(jì)算機(jī)。
用三枚硬幣的兩面分別表示0和1，這么總共有8種二補(bǔ)碼組合，分別代表0~7。能力有限，就只做個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試吧，找出其中的質(zhì)數(shù)。
用人腦簡(jiǎn)單剖析：三位數(shù)的二補(bǔ)碼轉(zhuǎn)化成十補(bǔ)碼，很快發(fā)覺(jué)，只要第三位數(shù)是0，這個(gè)數(shù)就是質(zhì)數(shù)，是1則為質(zhì)數(shù)。
假如把這個(gè)問(wèn)題交給精典計(jì)算機(jī)量子傳輸實(shí)物，它會(huì)如此做：
先把硬幣按000放好，判定第三枚硬幣。是0，就讓第四枚硬幣顯示1，表示這個(gè)數(shù)是奇數(shù)；反之則讓第四枚硬幣顯示0，表示質(zhì)數(shù)。
按001放好，判定。
……
按111放好，判定。
直至8個(gè)數(shù)都過(guò)了一遍，判定結(jié)束，得到以下結(jié)果：
是不是有點(diǎn)笨？而量子計(jì)算機(jī)是如此做的：
同樣先把硬幣按000放好，使用一種基本邏輯門操作——阿達(dá)馬門（Gate），讓每位硬幣弄成50%的0和50%的1的疊加態(tài)。
簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的000，此時(shí)就弄成了一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的疊加態(tài)：
這樣，僅用三枚硬幣，能夠同時(shí)攜帶0~7這8個(gè)數(shù)字的信息。
第四枚硬幣登場(chǎng)，先按1朝上放好。
接出來(lái)做些事情，讓第四枚硬幣聽(tīng)第三枚硬幣的話。只要第三枚硬幣是1，第四枚硬幣都會(huì)翻個(gè)身，顯示0；反之保持1不變。
這兒使用了另一種邏輯門操作——受控非門（CNOTGate），讓第三枚硬幣的狀態(tài)影響第四枚硬幣，它們猶如一正一反纏在一起，產(chǎn)生糾纏態(tài)。
到這兒，硬幣們?cè)缫淹瑫r(shí)攜帶了完整的8個(gè)數(shù)字以及各自的判定結(jié)果：
精典計(jì)算機(jī)須要運(yùn)行八遍，而量子計(jì)算機(jī)只要一遍。這就是量子計(jì)算機(jī)高速的緣由：同時(shí)對(duì)所有機(jī)率進(jìn)行運(yùn)算，這是真正的，并行運(yùn)算。
經(jīng)過(guò)以上操作，量子計(jì)算機(jī)的四枚硬幣得到了一個(gè)疊加態(tài)：12.5%的（0001+0010+0101+0110+1001+1010+1101+1110）。
設(shè)計(jì)算法，讓第四位為0的態(tài)消失，得到25%的（0001+0101+1001+1101），此時(shí)的疊加態(tài)都是我們要找的質(zhì)數(shù)了。
到此為止，心滿意足。正打算輸出結(jié)果時(shí)，問(wèn)題來(lái)了。
四個(gè)態(tài)，也就是這四個(gè)質(zhì)數(shù)，輸出一次只能得到隨機(jī)的一個(gè)合數(shù)。如同拋硬幣，拍定后只能隨機(jī)聽(tīng)到一種花色。
一檢測(cè)，疊加態(tài)才會(huì)被破壞，要進(jìn)行第二次輸出只能從頭再來(lái)。假如運(yùn)氣不好，第二次結(jié)果和先前一樣就白算了，得運(yùn)行第三次……不知猴年馬月，就能集齊所有解。
回到現(xiàn)實(shí)，這就是量子算法面臨的問(wèn)題之一。雖然優(yōu)化算法，讓它每次輸出不一樣的結(jié)果，也起碼須要四次就能得到完整的答案。比起精典計(jì)算機(jī)的八次，雖然沒(méi)有簡(jiǎn)便多少。
雖然，量子計(jì)算機(jī)并非利器，它的算力只在部份問(wèn)題上一騎絕塵。
在海量的數(shù)據(jù)里找一兩個(gè)滿足條件的解，例如大數(shù)分解質(zhì)質(zhì)數(shù)（工行密碼破解）、數(shù)據(jù)搜索這樣的問(wèn)題就十分適宜使用量子計(jì)算機(jī)。
反之，僅讓它們懟著一個(gè)數(shù)算乘法，量子計(jì)算機(jī)并不能彰顯出太大優(yōu)勢(shì)。
據(jù)悉，硬件也是關(guān)鍵。
量子計(jì)算機(jī)須要找一個(gè)量子效應(yīng)顯著的微觀化學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的基本功能。如同用電子的高低基態(tài)來(lái)表示0和1，實(shí)現(xiàn)前面提及的基本邏輯門。
但要找到這樣一個(gè)能被精準(zhǔn)控制的數(shù)學(xué)體系并不簡(jiǎn)單。
第一，疊加態(tài)并不穩(wěn)定。外界電場(chǎng)磁場(chǎng)的微小干擾或自身的開(kāi)朗好動(dòng)，就會(huì)讓疊加態(tài)從50%的1+50%的0，弄成40%的0+60%的1。從做好這個(gè)態(tài)到發(fā)霉的時(shí)長(zhǎng)，稱作相干時(shí)間。
相干時(shí)間不夠長(zhǎng)，可能連一次運(yùn)算都做不完。
第二，估算結(jié)果可能不精準(zhǔn)。雖然設(shè)計(jì)精妙，但因?yàn)檫\(yùn)算過(guò)程中的環(huán)境干擾和操作失誤，最終只有80%的成功率能算出正確結(jié)果。這個(gè)80%稱作保真度。
保真度不夠高，算出的答案也不可信。
現(xiàn)在，正在探求和開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)體系有離子阱、超導(dǎo)、半導(dǎo)體等，‘九章’使用的是光學(xué)體系。不過(guò)量子傳輸實(shí)物，‘九章’目前只在高斯玻色采樣問(wèn)題上解得飛快，并不屬于通常意義上可編碼的量子計(jì)算機(jī)。
‘九章’量子估算截?fù)魴C(jī)光量子干涉實(shí)物圖（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院；攝影：馬瀟漢/梁競(jìng)/鄧宇皓）
每一個(gè)數(shù)學(xué)體系表示0和1、實(shí)現(xiàn)邏輯門的形式天差地別，它們?cè)谙喔蓵r(shí)間、保真度、可擴(kuò)充性這種重要指標(biāo)上也各有利弊。
為此，與其說(shuō)研制量子計(jì)算機(jī)，不如說(shuō)是學(xué)者們百花齊放，在各自的化學(xué)體系上開(kāi)發(fā)功能，誰(shuí)也不曉得哪個(gè)體系能真正發(fā)展出成熟的可商用量子計(jì)算機(jī)。