我写过不少关于量子计算的文章，实际上主要是两类：一类是基于量子门的计算，另一类是绝热量子计算。其实还有第三种，叫做“量子行走”。

所谓量子行走，用自然界的例子来说，就是光合作用过程中电子转移的工作原理。

当前，研究者已经能够催动整块的原子云“齐步走”，实现量子行走。

光可以实现量子行走，但需要配备一台新式计算机来算出每一步。

不过，在玻色-爱因斯坦凝聚态下，光和物质的关系都反过来了。研究人员就是通过这个原理实现了玻色凝聚态下的量子行走。

图为计算机中的玻色-爱因斯坦凝聚模型，类似波的特点清晰可见。

三类量子计算机

进入正题之前，我想先对不同类型的量子计算机做一番简要的比较。量子门是大家最熟悉的，就是通过一个量子门的集合来完成严谨的逻辑运算，末端读出结果。

绝热量子计算则不涉及严谨运算，而是将问题转化为实现某一能量景观的最低能耗，打个比方，解决方案就在丘壑地区的深谷之中。

思路是这样的：先从一片平滑的碗状地带入手，逐渐制造出“山陵”，直至量子位落入最深的“谷底”，计算结束。读出量子位的值，问题就解决了。

而量子行走跟量子门、绝热计算都不一样。

对于量子行走来说，问题转化为一系列的线路。

一个量子态将同时出现在所有可能的线路中，但各条线路会相互干涉，而包含了答案的那条线路出现量子态的概率更高，其他线路的概率则较低。换而言之，先放进一个微观物体——比方说一个光子，然后测量光子出现的位置，就能找到答案。

此时的思路是这样的：制造一套相互关联的线路，将有待解决的问题编入其中。

如果说一个光子是一个量子位，那么光纤就是实现上述方案的材料。

先使光纤相互耦合，确保量子位沿多条线路游走并自我干涉。耦合的强度决定了每一根光纤中光子的“数量”，而光纤的长度决定了干涉的性质是有益还是有害。

光的量子行走固然好，但每一根光纤须得维持不变：光纤的长度以及不同光纤之间的耦合强度无法及时调整。说到底，这种基于光学量子行走的计算机，缺少可编程的因素。

像光一样流动的物质

在玻色-爱因斯坦凝聚态下，光和物质扮演的角色可以互换。

所谓玻色凝聚，指处在同一量子态的冷原子的集合。

简而言之，该集合的行为就像单个粒子一样整齐划一。这时候如果用脉冲光对其加以轰击，这颗“粒子”将以一定频率震颤，导致漂移。至于漂移的方向，取决于玻色凝聚的内部状态。

玻色凝聚的内部状态是由微波脉冲设定的。

比方说，适当的微波脉冲会令玻色凝聚态处在两种量子态的叠加态。此时如果再用激光脉冲加以轰击，玻色凝聚就必然因叠加态而同时向两个方向移动。

研究者证实，只要依次施以微波和激光脉冲，就能像经验丰富的弹球玩家一样，随意控制玻色凝聚的空间线路。

不同的是，这里是量子弹球——每当玻色凝聚撞到反弹杠，就会同时向多个方向反弹，再撞到更多的反弹杠。更复杂的是，量子弹球会穿越不同的线路，再在各类节点重新组合。线路交叉之处，玻色凝聚发生自我干涉。干涉会导致在某些线路上找到玻色凝聚的概率降低，而在另一些线路上的概率上升。量子计算恰好需要这个。

把光变成固体

光的量子行走尚且需要玻璃纤维以固定的方式、（在交汇点上）以固定的长度相互耦合，而玻色凝聚则更为灵活。脉冲光可以推动玻色凝聚在自由空间行动，而微波脉冲则如同各条线路之间的耦合器。脉冲光的数量，决定了行动线路的长度；而微波脉冲的强度，则决定了各条线路的耦合性。这是重点。

玻色凝聚态下，量子行走的路线是可编程的。因为光也好，微波脉冲也好，都不是一成不变，可以随时调整。

只不过，这样的计算机还没造出来。

科学家虽已证明了对单个玻色凝聚实现量子行走的可能，但还没有证明他们能够在量子行走中对某个问题进行编码。

据我所知，在量子行走中对问题进行编码，难度不小。必须设定好各个微波脉冲、分别对应不同行走线路，才能造出计算机。再以光纤为例。在光学量子行走中，如果光子同时进入左右两条线路，那么左边那条线路就会受制于右边那条线路的长度和耦合度。但是，在玻色凝聚中，不同线路之间相距无几，根本不能使微波脉冲对准具体任何一条。换句话说，微波源将不可避免地修改整个玻色凝聚的内部状态。

话说回来，现在毕竟有了好的开端。玻色凝聚态下的量子行走，有利于将量子门和绝热计算的优势结合起来。

其一，玻色凝聚是在真空洁净环境下，靠的是中性原子，有可能形成高度可靠、长期存在的量子位。在这个意义上，玻色凝聚更像是离子阱量子计算机。

其二，它既有望解决更复杂的难题，又不必专门处理大量的量子位，倒更像是绝热量子计算的方法，发展前景可期。

本文作者Chris Lee系荷兰方堤斯应用科学大学教师。

翻译：李芜

校对：李莉

编辑：漫倩

来源：arstechnica

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