上海時間12月4日，‘九章’橫空出世。
這是由中科大潘建偉團隊與中科院北京微系統(tǒng)與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，打造出的76個光子的量子估算截擊機。
明天，我們將用幾枚硬幣，向你解釋量子計算機的基本原理。
我們現(xiàn)今使用的計算機軟件，背后是一行行代碼，它們最終轉化成各類邏輯門，控制底層的一個個二補碼數(shù)——0和1。
這個基本單位稱作比特，在精典計算機里，每位比特要么是0，要么是1。而量子計算機不同，每一個量子比特既可以是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。
拋一萬次，五千次見到花，五千次見到字。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，未曾同時出現(xiàn)我們眼前，而是變幻詭譎，隨機出現(xiàn)？
學者們抓撓頭，最終嚴謹作答：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)。
是不是感覺很離譜？
事實上，疊加態(tài)正是這樣一種無奈的描述。當研究者用同樣的實驗方式，打下來的電子有時在這里有時在那里，光子有時走這條縫有時走那條縫，最終只能抓撓頭無奈地說，它們的運動形式和最終位置都是由不同的態(tài)機率疊加上去的。
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)。沒有人曉得為何會這樣。
將上帝的硬幣在指尖翻來覆去，在這樣的三維空間中，花和字一體兩面，同時存在于硬幣表面。但單用肉眼去看，或則拍一張二維的硬幣合照，我們只能見到硬幣的某一個面。
CoinToss，E。，1965。MIT
因而學者推測，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到的位置、速度，都只是隨機地看見它不同的投影。
不過放心，這些現(xiàn)象只有在微觀世界里還能比較顯著地觀測到。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，制做一臺計算機。
用三枚硬幣的兩面分別表示0和1，這么總共有8種二補碼組合，分別代表0~7。能力有限，就只做個簡單的測試吧，找出其中的質(zhì)數(shù)。
用人腦簡單剖析：三位數(shù)的二補碼轉化成十補碼，很快發(fā)覺，只要第三位數(shù)是0，這個數(shù)就是質(zhì)數(shù)，是1則為質(zhì)數(shù)。
假如把這個問題交給精典計算機量子傳輸實物，它會如此做：
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個數(shù)都過了一遍，判定結束，得到以下結果：
是不是有點笨？而量子計算機是如此做的：
同樣先把硬幣按000放好，使用一種基本邏輯門操作——阿達馬門（Gate），讓每位硬幣弄成50%的0和50%的1的疊加態(tài)。
簡簡單單的000，此時就弄成了一個長長的疊加態(tài)：
這樣，僅用三枚硬幣，能夠同時攜帶0~7這8個數(shù)字的信息。
第四枚硬幣登場，先按1朝上放好。
接出來做些事情，讓第四枚硬幣聽第三枚硬幣的話。只要第三枚硬幣是1，第四枚硬幣都會翻個身，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，硬幣們早已同時攜帶了完整的8個數(shù)字以及各自的判定結果：
精典計算機須要運行八遍，而量子計算機只要一遍。這就是量子計算機高速的緣由：同時對所有機率進行運算，這是真正的，并行運算。
經(jīng)過以上操作，量子計算機的四枚硬幣得到了一個疊加態(tài)：12.5%的（0001+0010+0101+0110+1001+1010+1101+1110）。
設計算法，讓第四位為0的態(tài)消失，得到25%的（0001+0101+1001+1101），此時的疊加態(tài)都是我們要找的質(zhì)數(shù)了。
到此為止，心滿意足。正打算輸出結果時，問題來了。
四個態(tài)，也就是這四個質(zhì)數(shù)，輸出一次只能得到隨機的一個合數(shù)。如同拋硬幣，拍定后只能隨機聽到一種花色。
一檢測，疊加態(tài)才會被破壞，要進行第二次輸出只能從頭再來。假如運氣不好，第二次結果和先前一樣就白算了，得運行第三次……不知猴年馬月，就能集齊所有解。
回到現(xiàn)實，這就是量子算法面臨的問題之一。雖然優(yōu)化算法，讓它每次輸出不一樣的結果，也起碼須要四次就能得到完整的答案。比起精典計算機的八次，雖然沒有簡便多少。
雖然，量子計算機并非利器，它的算力只在部份問題上一騎絕塵。
在海量的數(shù)據(jù)里找一兩個滿足條件的解，例如大數(shù)分解質(zhì)質(zhì)數(shù)（工行密碼破解）、數(shù)據(jù)搜索這樣的問題就十分適宜使用量子計算機。
反之，僅讓它們懟著一個數(shù)算乘法，量子計算機并不能彰顯出太大優(yōu)勢。
據(jù)悉，硬件也是關鍵。
量子計算機須要找一個量子效應顯著的微觀化學體系，實現(xiàn)計算機的基本功能。如同用電子的高低基態(tài)來表示0和1，實現(xiàn)前面提及的基本邏輯門。
但要找到這樣一個能被精準控制的數(shù)學體系并不簡單。
第一，疊加態(tài)并不穩(wěn)定。外界電場磁場的微小干擾或自身的開朗好動，就會讓疊加態(tài)從50%的1+50%的0，弄成40%的0+60%的1。從做好這個態(tài)到發(fā)霉的時長，稱作相干時間。
相干時間不夠長，可能連一次運算都做不完。
第二，估算結果可能不精準。雖然設計精妙，但因為運算過程中的環(huán)境干擾和操作失誤，最終只有80%的成功率能算出正確結果。這個80%稱作保真度。
保真度不夠高，算出的答案也不可信。
現(xiàn)在，正在探求和開發(fā)的數(shù)學體系有離子阱、超導、半導體等，‘九章’使用的是光學體系。不過量子傳輸實物，‘九章’目前只在高斯玻色采樣問題上解得飛快，并不屬于通常意義上可編碼的量子計算機。
‘九章’量子估算截擊機光量子干涉實物圖（來源：中國科學技術學院；攝影：馬瀟漢/梁競/鄧宇皓）
每一個數(shù)學體系表示0和1、實現(xiàn)邏輯門的形式天差地別，它們在相干時間、保真度、可擴充性這種重要指標上也各有利弊。
為此，與其說研制量子計算機，不如說是學者們百花齊放，在各自的化學體系上開發(fā)功能，誰也不曉得哪個體系能真正發(fā)展出成熟的可商用量子計算機。