股市华兴社资讯-股市华兴社据悉这是由中科大潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，股市华兴社发现这构建出的 76 个光子的量子计算原型机。

今天，我们将用几枚硬币，向你解释量子计算机的基本原理。

我们现在使用的计算机软件，背后是一行行代码，它们最终转化成各种逻辑门，控制底层的一个个二进制数—— 0 和 1。

这个基本单位叫做比特，在经典计算机里，每个比特要么是 0，要么是 1。而量子计算机不同，每一个量子比特既可以是 0 是 1，也可以变成 0 和 1 的叠加态。

什么是叠加态?让我们掏出一枚硬币，看看它表面是什么图案。

抛一万次，五千次看到花，五千次看到字。所以，硬币表面的图案既有花又有字?未必，如果硬币的表面是既有花又有字，为什么一枚硬币的花和字，从未同时出现我们眼前，而是变幻莫测，随机出现?

学者们挠挠头，最终严谨作答：硬币的图案既是花又是字，花态和字态共同存在于硬币中。但不是一般的同时存在，而是由 50% 的花态和 50% 的字态叠加起来的。图案的状态，是花态和字态的叠加态。

是不是觉得很离谱?

事实上，叠加态正是这样一种无奈的描述。当研究者用同样的实验方法，打出来的电子有时在这儿有时在那儿，光子有时走这条缝有时走那条缝，最终只能挠挠头无奈地说，它们的运动方式和最终位置都是由不同的态概率叠加起来的。

看似不能相容的状态，却共生一体，我们描述它为：叠加态——不同态概率叠加的状态。没有人知道为什么会这样。

将上 帝的硬币在指尖翻来覆去，在这样的三维空间中，花和字一体两面，同时存在于硬币表面。但单用肉眼去看，或者拍一张二维的硬币照片，我们只能看到硬币的某一个面。

Coin Toss, Harold E. Edgerton, 1965. MIT Museum

因此学者猜测，也许是因为我们的世界恰恰是更高维世界的投影，所以每次观察和测量到的位置、速度，都只是随机地看到它不同的投影。

不过放心，这种现象只有在微观世界里能够比较明显地观测到。像一米硬币这么大的物体，只要角度和力度不变，抛出的花色都是一样的。

好，让我们继续。再掏出三枚硬币，制作一台计算机。

用三枚硬币的两面分别表示 0 和 1，那么总共有 8 种二进制组合，分别代表 0~7。能力有限，就只做个简单的测试吧，找出其中的偶数。

用人脑简单分析：三位数的二进制转化成十进制，很快发现，只要第三位数是 0，这个数就是偶数，是 1 则为奇数。

如果把这个问题交给经典计算机，它会这么做：

先把硬币按 000 放好，判断第三枚硬币。是 0，就让第四枚硬币显示 1，表示这个数是偶数;反之则让第四枚硬币显示 0，表示奇数。

按 001 放好，判断。

……

按 111 放好，判断。

直到 8 个数都过了一遍，判断结束，得到以下结果：

是不是有点笨?而量子计算机是这么做的：

同样先把硬币按 000 放好，使用一种基本逻辑门操作——阿达马门(Hadamard Gate)，让每个硬币变成 50% 的 0 和 50% 的 1 的叠加态。

简简单单的 000，此时就变成了一个长长的叠加态：

这样，仅用三枚硬币，就能同时携带 0~7 这 8 个数字的信息。

第四枚硬币登场，先按 1 朝上放好。

接下来做些事情，让第四枚硬币听第三枚硬币的话。只要第三枚硬币是 1，第四枚硬币就会翻个身，显示 0;反之保持 1 不变。

这里使用了另一种逻辑门操作——受控非门(CNOT Gate)，让第三枚硬币的状态影响第四枚硬币，它们就像一正一反缠在一起，形成纠缠态。

到这里，硬币们已经同时携带了完整的 8 个数字以及各自的判断结果：

经典计算机需要运行八遍，而量子计算机只要一遍。这就是量子计算机高速的原因：同时对所有概率进行运算，这是真正的，并行运算。

经过以上操作，量子计算机的四枚硬币得到了一个叠加态：12.5% 的(000 1+001 0+010 1+011 0+100 1+101 0+110 1+111 0)。

设计算法，让第四位为 0 的态消失，得到 25% 的(000 1+010 1+100 1+110 1)，此时的叠加态都是我们要找的偶数了。

到此为止，心满意足。正准备输出结果时，问题来了。

四个态，也就是这四个偶数，输出一次只能得到随机的一个偶数。就像抛硬币，拍定后只能随机看到一种花色。

一测量，叠加态就会被破坏，要进行第二次输出只能从头再来。如果运气不好，第二次结果和上次一样就白算了，得运行第三次……不知猴年马月，才能集齐所有解。

回到现实，这就是量子算法面临的问题之一。即便优化算法，让它每次输出不一样的结果，也至少需要四次才能得到完整的答案。比起经典计算机的八次，似乎没有简便多少。

毕竟，量子计算机并非神器，它的算力只在部分问题上一骑绝尘。

在海量的数据里找一两个满足条件的解，比如大数分解质因数(银行密码破解)、数据搜索这样的问题就非常适合使用量子计算机。

反之，仅让它们怼着一个数算加法，量子计算机并不能展现出太大优势。

此外，硬件也是关键。

量子计算机需要找一个量子效应明显的微观物理体系，实现计算机的基本功能。就像用电子的高低能级来表示 0 和 1，实现上面提到的基本逻辑门。

但要找到这样一个能被精准控制的物理体系并不简单。

第一，叠加态并不稳定。外界电场磁场的微小干扰或自身的活泼好动，都会让叠加态从 50% 的 1 + 50% 的 0，变成 40% 的 0+ 60% 的 1。从做好这个态到变质的时长，叫做相干时间。

相干时间不够长，可能连一次运算都做不完。

第二，计算结果可能不精准。尽管设计精妙，但由于运算过程中的环境干扰和操作失误，最终只有 80% 的成功率能算出正确结果。这个 80% 叫做保真度。

保真度不够高，算出的答案也不可信。

如今，正在探索和开发的物理体系有离子阱、超导、半导体等，「九章」使用的是光学体系。不过，「九章」目前只在高斯玻色取样问题上解得飞快，并不属于一般意义上可编码的量子计算机。

「九章」量子计算原型机光量子干涉实物图

(来源：中国科学技术大学;摄影：马潇汉/梁竞/邓宇皓)

每一个物理体系表示 0 和 1、实现逻辑门的方式天差地别，它们在相干时间、保真度、可扩展性这些重要指标上也各有优劣。

因此，与其说研发量子计算机，不如说是学者们百花齐放，在各自的物理体系上开发功能，谁也不知道哪个体系能真正发展出成熟的可商用量子计算机。