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什么是量子计算呢？数码计算的基础是信息的“比特”，或开或关——要么是0，要么是1，交替循环。比特又被组织成更大的结构，比如数字、字母或者单词，事实上这些结构又可以代表任何一种形式的信息：文本、声音、图片、活动图像。从另一方面来看，量子计算的基础是Q比特，从本质上来看，就是0和1同时出现。Q比特的基础是量子力学中固有的模棱两可性。位置、动量或其他基本粒子的状态都保持这种“模棱两可”的状态，直到一种确定的过程让粒子“决定”自己的位置在哪儿、去过哪儿、具有何种性能等等。举例来说，假设一束光子以45°角投射到一块玻璃上，每一粒光子接触到玻璃的时候，都可以选择是直接穿过玻璃还是反射回来。每一粒光子都将同时选择两条路径（其实还不止于此，详见下文），直到一个有意识的观察过程强迫光子选择究竟要走哪一条为止。许许多多现代实验都已经充分证明了这一行为。
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在量子计算机中，单个电子的一种性质可以代表Q比特——核自旋是一种比较普遍的选择。如果用正确的方式装配，电子就无法决定它们的核自旋的方向（上或下），因此会同时呈现出两种状态。电子旋转状态的有意识观察过程——或其他取决于这种状态的后续现象，都可以消除这种模棱两可性。这种消除模棱两可性的过程叫作量子退相干[3]。如果没有量子退相干，我们生活的世界将会是一团乱麻。
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量子计算机的优点在于我们可以对它提一个问题，同时提供一个方法来检测答案。我们可以用这样的方法来设定Q比特的量子退相干，只有一个答案可以通过测试并在退相干中幸存下来，未通过的答案就相互抵消。因为还有很多其他方法（比如，递归和遗传算法），因此量子计算的关键之一在于，要仔细陈述问题，还要用明确的方法来检测答案。
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Q比特系列代表要同时解决问题的答案。单个Q比特代表两个可能的答案。两个连接的Q比特代表4个可能的答案。一台拥有1 000个比特的量子计算机同时代表21 000个（这一数据大约相当于一个十进制数字，由1开始，后面跟着301个0）可能的答案。这一问题的陈述（作为一项可以运用到潜在答案的测试来表达）出现在Q比特串当中，因此Q比特就进行退相干（也就是说，每个Q比特都从模棱两可的0~1状态转化为确定的0或1状态），留下了一系列通过测试的0和1。从本质上来看，所有这21 000个潜在答案都同时做出了尝试，但只有正确答案通过了测试。
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显然，通过量子退相干读取答案的过程正是量子计算的关键所在，同时这也是最难把握的一步。想想以下类比案例就明白了：刚开始学习物理的学生都知道，如果光以某种角度投射到镜子上，就会在镜子表面以同样的角度朝反方向反射回去。但根据量子理论就不是这样了。事实上，每个光子在镜子的任一可能角度都发生了反射，已经尝试了每一条可能的道路。不过大部分道路相互抵消了，只留下了经典物理学预测的道路。假如镜子代表一个有待解决的问题，只有正确答案（光线以投射时的角度反射）才能在所有的量子取消过程中幸存下来，量子计算机的工作原理也是这样。解决问题答案的正确性就是用这样的方法设定的，大部分潜在答案——即没有通过测试的答案，会相互抵消，只留下可以通过测试的比特序列。因此，一面普通的镜子可以被视为量子计算机的特殊案例，尽管它只能解决非常简单的问题。
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还有一个更有用的例子，加密代码的基础是对大数字进行因子分解（因子分解就是决定哪些较小的数字相乘可以得出较大的数字）。其实，用几百个比特对一个数字进行因子分解，这对任何一种数码计算机都是不可能的，即使我们有几十亿年的时间等待答案。一台量子计算机可以同时尝试每一种因素的潜在组合形式，并在不到10亿分之一秒的时间内解开密码（同人类观察者交流答案所花的时间要稍微久一点）。在其关键的消除模棱两可性阶段，量子计算机应用的测试非常简单：只需用一个因子同另一个因子相乘即可，如果答案等于加密编码，那我们就解决了这个问题。
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据说，量子计算对数字计算而言就像氢弹对阵鞭炮。如果认识到数字计算本身就是革命性事件，就会懂得这种描述的非凡之处。这种类比建立在以下观察的基础上：假设（至少在理论上可以这样假设）一种如宇宙一般大小的（非量子）计算机，宇宙中的每一个中子、电子和质子都装进了这台计算机当中，并且每一个粒子（也就是宇宙中的每个微粒）都可以在每秒之内进行数万亿次计算。现在，想象一下这台宇宙般大小的超级计算机不能解决的某些问题，即使我们可以在下一次大爆炸或者宇宙中所有的星辰陨灭之后——大约100亿~300亿年后，都可以运行这台计算机。有很多有关于这种大规模难解问题的例子，比如说，用1 000比特破解加密代码，或者解决“旅行推销员到访1 000个城市”的问题。虽然大型数字计算机（包括理论上的那台宇宙般大小的计算机）做不到，但这类问题对微型量子计算机而言却可以在10亿分之一秒之内就迎刃而解，不费吹灰之力。
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量子计算机真的可行吗？研究进展表明，从理论上和实际操作上来看，答案都是肯定的。虽然真正的量子计算机还没有制造出来，但利用退相干方式的有效性已经得到了证明。洛斯阿拉莫斯国家实验室的艾萨克·庄和麻省理工学院的尼尔·格申菲尔德已经使用丙氨酸分子中的碳原子制造了一台量子计算机。他们的量子计算机只能做“1+1”之类的简单运算，但这仅仅是个开端。当然，几十年来我们一直在利用量子效应进行其他可操作的应用，比如晶体管中的电子隧道效应。13
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咖啡杯中的量子计算机
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设计可操作的量子计算机困难重重，其中一个困难便是其体积要特别小，基本上相当于原子或分子的大小。但要在热效应下让单个原子或分子移动非常困难。此外，一般而言，单个分子极其不稳定，无法用来建造一台可靠的机器。对于这些问题，艾萨克·庄和格申菲尔德实现了理论上的突破。他们的解决方案是，取一杯液体，把每一个分子当作一台量子计算机。现在，他们拥有的不是一台分子大小的不稳定的量子计算机，而是一个含有1023台量子计算机的杯子。这个方案的意义不在于拥有更多的大规模并行计算，而在于出现了大量冗余。这样一来，一些分子不可避免的不规律运动对杯中液体包含的所有分子的统计行为就没有影响了。这种利用数万亿分子统计行为克服单个分子缺少的可靠性的方法，与阿德曼教授利用数万亿条DNA链克服DNA计算中类似问题的方法非常相似。
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量子计算的方法也可以在不提前触发尚未读取的Q比特退相干的情况下，以1比特为单位读取答案。艾萨克·庄和格申菲尔德把他们的液体计算机放在无线电波的脉冲下，让分子对信号做出反应，指示出每个电子的旋转状态。每次脉冲都会引起一些多余的退相干，但是，和之前一样，这些退相干不会影响数万亿分子的统计行为。这样一来，量子效应就可以既稳定又可靠了。
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后来，艾萨克·庄和格申菲尔德又制造了一台可以因子分解小数字的量子计算机。虽然这种早期的模型无法同传统的数字计算机相提并论，但它有力地证明了量子计算的可行性。显然，适合做量子液体的最优选项就是一杯刚刚冲泡好的爪哇咖啡（Java coffee）[4]，格申菲尔德认为它拥有“非常优良的均衡加热特性”。
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使用生命编码的量子计算
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当我们可以把40 Q比特连接起来的时候，量子计算就可以取代数字计算了。一台40 Q比特的量子计算机可以同时评估一万亿个潜在解决方案，可以与速度最快的超级计算机相媲美。如果达到60比特，我们就可以同时进行1018次尝试。如果达到几百比特，那么一台量子计算机的能力就可以远远超过任何一台数字计算机。
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接下来谈谈我的想法。量子计算机的力量取决于我们能把多少Q比特连接起来。我们需要找一个特殊设计的大型分子承载大量信息。进化恰巧为我们设计了这样的分子：DNA。我们可以按照喜好从一小打到几千个核苷酸梯级当中随手创造任意尺寸的DNA分子。所以，将这两个优秀的想法结合在一起——把液体DNA计算机和液体量子计算机结合在一起，就可以得出一个比这两个部分之和更好的解决方案。把数万亿DNA分子放在一个茶杯当中，就可以制造一台高度冗余的（因此也是非常可靠的）量子计算机，我们就可以随意利用Q比特。记住，这个想法可是本书首创哦。
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假设没人看答案
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假如量子计算机依赖的量子模棱两可性是退相干的，也就是消除了模棱两可性的，而当时一个有意识的实体正在观察这种模棱两可的现象，事情会怎样呢？此时，那些有意识的实体正是我们，也就是量子计算机的使用者。但是使用量子计算机的时候，我们无法直接看到每个电子的核自旋状态。这种旋转状态是由一种装置来测量的，该装置也回答了量子计算机一直需要解决的问题。然后，这些测量值由其他电子产品处理，接下来再由传统计算设备处理，最后再由屏幕显示出来，或被打印在纸张上。
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假设人类或其他有意识的生命实体根本不看这些打印出来的资料。这样的话，就不存在有意识的观察，因此也就不存在退相干。我之前说过，当有意识的生命实体决定与这个物理世界互动时，世界才会呈现出明确的状态。所以，带有答案的那张纸是模棱两可的、不确定的，直到（或除非）一个有意识的生命实体看见它为止。紧接着，所有的模棱两可性都逆向地得到了解决，答案就在那张纸上。这就表明，只有我们看的时候，答案才会显现。但是，也别惦记着过早地偷瞄答案，量子效应是瞬间的，看了也白看。
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它到底有何用处？
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量子计算的关键要求之一就是要有检测答案的方式。这种检测并非一直都有，然而，量子计算机将会成为一位伟大的数学家。它可以（在量子计算机Q比特能力之内）同时考虑每一种公理和业已解决的定理之间各种可能存在的组合，来证明或反驳任何可证明或不可证明的推测。虽然通常很难想出数学证明，但证明其正确性通常比较容易，所以很适合选用量子方法。
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然而，量子计算在一些问题当中并不能直接运用，比如下棋。虽然在指定的棋盘上走出一步“完美的”棋是个难得的好案例，但同时也是一个棘手的计算难题，我们根本找不到简单的方法来检测这个答案。如果一个人或一个过程原本要呈现出答案，可眼下没有办法检测其有效性，只能建立一种同样的运动——反向运动模式，然后产生一开始就存在的答案。即便是对仅仅“很好的”一步棋，量子计算机与数字计算机相比也没有明显的优势。
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在艺术创造方面怎么样呢？在这方面，量子计算机有着非常可观的价值。创造一件艺术作品，包括解决一系列（或许是一系列很庞大的）问题。量子计算机会考虑到各种元素之间可能存在的组合——单词、注释、笔画。我们仍然需要一种方法来测试美学问题的序列，但是量子计算机是在海量的可能性中进行迅速搜索的理想产品。
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加密的摧毁与复活
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上文提到过，量子计算机适宜解决的经典问题就是破解加密代码，这项技能的基础是对大数字进行因子分解。加密编码的强度是由需要对其进行因子分解的比特数量决定的。比如说，在美国，出口使用超过40比特的密码破解技术属于违法行为（如果把密钥交给它们，则可以提高至56比特），一个40比特的加密方法并不安全。1997年9月，加州大学伯克利分校的研究生伊恩·戈德堡用250个小计算机的网络在3.5小时内破解了一个40比特的密码。14一个56比特的密码要稍微安全一些（多出16比特实实在在的安全性）。10个月后，一位名叫约翰·吉尔摩的计算机隐私维权人士与一位名为保罗·科克的加密专家使用一台造价25万美元、经特殊设计的计算机，在56个小时内破解了56比特的密码。但是量子计算机可以（在其能力范围之内）轻松对任意大小的数字进行因子分解。量子计算技术将彻底摧毁数字加密技术。
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技术的进步会带走一些东西，也会带来一些东西。一个相关的量子效应可以为加密技术提供永远不会被破解的新方法。还是要牢记，以加速回报定律的观点来看，“永远”已经远没有从前那样远了。
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