量子电脑正式亮相！

量子电脑具有强大的运算能力，但制作它并不容易。一直以来，量子电脑都处于一种“好像还要20年”的状态。现在，IBM公司推出一部云端量子电脑Quantum Experience，提供大众操作量子计算。量子电脑不仅不再是未来，而且透过网络人人都能使用。

IBM的量子电脑及团队负责人Jerry Chow (source: IBM Quantum Computing)
●量子电脑中薛丁格的猫
量子电脑是基于量子力学的计算装置，但理解量子电脑不需要薛丁格方程式，只需要薛丁格的那只猫。薛丁格的猫被装在箱子里，有二分之一的机率会中毒身亡。也就是说在猫咪被观测之前，它处于生与死的叠加态。
以上是标准版本的薛丁格的猫的故事，量子电脑的版本是接着这个叠加态说下去：随后，我们使用箱子内有二分之一的机率会放电的电击器。活猫接受电击会受伤;而亡猫接受电击会心肺复苏而醒来。如图一所示，我们用一只薛丁格的猫，进行一次电击，就能得到四种猫的状态。如果我们使用的是古典的猫，我们需要准备两只猫，进行两次电击才能得到四种结果。猫的生与死可以看成电脑中的0和1，电击则是做运算，由这个简单例子我们可以看出量子电脑的效率如何高于古典电脑。

图一、薛丁格的猫是量子版本的猫。我们用物理学家习惯的符号写出量子猫的各种状态。
●使用 IBM Quantum Experience 进行量子计算
IBM公司在位于美国纽约的华生实验室有一台五位元的量子电脑，透过线上平台 Quantum Experience 让全世界都能使用这台量子电脑进行运算，注册帐号即可使用。如图二A所示， Quantum Experience 提供5个默认值为0的量子位元、10种逻辑闸和2种量测。其中一种量测已被放在第一个位元，图二B 显示测量结果：第一个量子位元为0的机率为100%。

图二、最简单的量子电路：对量子位元做量测。
接着我们来尝试“H闸”。H闸的全名为 Hadamard，其功能和薛丁格猫的箱子内的毒药很像，能把一个确定的状态转换成两个状态的叠加。举例来说如果输入是0，输出会变成0和1的平均叠加(图三)。这个逻辑闸常用于产生量子叠加态，是量子电路中最重要的元素之一。

图三、第一个位元中的0经过H闸之后，变成0和1的叠加。从B中可以看出第一个位元处于0和1的机率都是50%。
以上介绍的两个元件都只作用在一个量子位元上，属于单位元的元件。但在进行逻辑运算时，我们需要操作多个位元，例如：利用一个位元控制另一个位元的状态。这时，“+闸”就派上用场了。“+闸”的全名是Controlled-Not。“Not闸”是一个单位元的逻辑闸，功用是将逻辑值反转，把0变成1，1变成0。而“Controlled-Not闸”是一个双位元的逻辑闸，由一个位元A决定另一个位元B是否进行Not闸运算。若位元A的逻辑值是1，位元B则进行Not闸运算;若位元A为0，位元B则维持原状态(图四)。

图四、第一位元透过Controlled-Not控制第二位元。由于第一个位元的值是0，所以Controlled-Not闸对第二个位元没有产生任何改变。从B中可以看出第二位元的值仍然维持在0。
在此给大家一个练习题：“透过已介绍过的元件，达成两个位元的量子纠缠态(Entangled state)(如图五)。”纠缠态是一种非常特别的状态，它将位元之间共享的资讯最大化。在许多量子电路中，例如：量子传送(quantum teleportation)，都能看到纠缠态的踪影。

图五、纠缠态之所以称做纠缠，因为两个位元的状态紧密相连。从A中我们可出若第一个位元的值是1，第二个位元也必定是1，反之亦然。在B中显示了纠缠态的正确量测结果，可以和你的结果作比较。
除了上述提到的几个逻辑闸，Quantum Experience 里一共提供10个逻辑闸，在此不一一详述。这些逻辑闸形成一个“通用逻辑闸集合(universal logic gate set)”，任何量子运算都能透过它们的排列组合达成。换句话说，这台量子电脑是一个通用性的量子电脑，可以处理各种运算。相较于知名量子运算公司 D-Wave System 开发的单一功能量子电脑只能处理最佳化或类似的问题，Quantum Experience 能处理更多、更广泛的问题。
制造量子电脑最大的困难之一是维持叠加态的稳定性。将系统放在极低温可以解决问题，但是不是人人家里都有低温设备，这对量子电脑的普及化是一大障碍。有些人寻求不同的形态的量子电脑以减少叠加态的耗散，例如：拓谱量子电脑，但其技术还尚未成熟。IBM 公司有了这一个聪明的办法：将量子电脑放在超低温并且集中管理，如此一来使用者不需负担低温设备。我们仅需透过网络连线到云端的 Quantum Experience，在键盘上敲几个按键，就能操作精密又复杂的量子电脑！