（本文作者張曉泉，清華大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院 Irwin and Joan Jacobs 講席教授）

 

最近看到了一篇關(guān)于量子計算的有趣的論文，講的是基于量子物理學(xué)的視角來看，DNA可以看作是完美的量子計算機。

在介紹這篇論文之前，先簡單回顧一下關(guān)于量子計算的一些核心要點，方便后面的理解。

量子計算機與普通計算機（經(jīng)典計算機）最根本的區(qū)別在于處理和存儲信息的方式以及底層的物理原理的不同，具體表現(xiàn)在如下這些方面：

1）信息單元：不同于經(jīng)典計算機的比特（bit），量子計算機使用量子比特（qubit），qubit可以同時處于0和1的疊加狀態(tài)，這使得量子計算機可以同時處理更多的數(shù)據(jù)。

2）量子疊加：在任何給定時間，bit的狀態(tài)是確定的，要么是0要么是1。然而，qubit可以處于疊加態(tài)，即同時是0和1，直到被測量。如果把bit比作硬幣的兩面，qubit就像是空中旋轉(zhuǎn)的硬幣。

3）量子糾纏：bit的狀態(tài)是獨立的，而qubit之間可以形成量子糾纏，即一個qubit的狀態(tài)可以即時影響另一個qubit的狀態(tài)，無論它們相隔多遠。

4）計算能力：經(jīng)典計算機在執(zhí)行算法和處理任務(wù)時，一次只能執(zhí)行一個或有限個操作。量子計算機由于qubit疊加和糾纏的特性，一個量子比特可以同時表示0和1，多個量子比特的系統(tǒng)可以同時處理2的N次方個狀態(tài)（N為量子比特的數(shù)量）。

這種能力使得量子計算機可以在同一時間內(nèi)進行大量并行計算，用于解決某些特定類型的問題，如大整數(shù)因數(shù)分解（對密碼學(xué)至關(guān)重要）、搜索問題和模擬量子系統(tǒng)等。

5）物理實現(xiàn)：經(jīng)典計算機基于半導(dǎo)體技術(shù)，使用邏輯門和電路來控制電流的流動。量子計算機依賴于量子力學(xué)原理，可能使用離子阱、超導(dǎo)量子比特、光量子計算等不同的物理系統(tǒng)來實現(xiàn)qubit。

6）錯誤率和穩(wěn)定性：經(jīng)典計算機相對穩(wěn)定，錯誤率較低，可以通過傳統(tǒng)的方法進行錯誤檢測和糾正。量子計算機由于量子態(tài)的脆弱性，它們對環(huán)境干擾非常敏感，容易發(fā)生退相干和量子信息的丟失，需要復(fù)雜的量子糾錯技術(shù)。

7）應(yīng)用領(lǐng)域：經(jīng)典計算機適用于廣泛的應(yīng)用，包括日常計算、數(shù)據(jù)處理、商業(yè)應(yīng)用、游戲等。量子計算機雖然目前還處于研究和開發(fā)階段，但預(yù)期將在材料科學(xué)、藥物開發(fā)、復(fù)雜系統(tǒng)模擬等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

基于量子計算的上述特性，實現(xiàn)實際可用的量子計算機仍面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其是在維持量子態(tài)的相干性方面。

于是，在這篇題為《DNA as a perfect quantum computer based on the quantum physics principles》的論文中，來自不同機構(gòu)的科學(xué)家團隊提出了一種基于DNA的量子計算模型，探索了DNA分子在量子信息處理中的潛力。

下面是這篇論文的主要內(nèi)容。

DNA作為量子比特的理論背景

研究人員從量子力學(xué)的角度解釋了DNA的芳香性（由不飽和鍵、孤對電子和空軌道組成的共軛系統(tǒng)具有特別的、僅考慮共軛時無法解釋的穩(wěn)定作用）。

他們發(fā)現(xiàn)，DNA中的電子和空穴對由于量子化的分子振動能量會形成振蕩共振態(tài)，在氮堿基中產(chǎn)生超電流。

而DNA中的腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）之間或鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）之間的中心氫鍵像一個理想的約瑟夫森結(jié)（Josephson Junction）一樣發(fā)揮作用。

因此，DNA分子的基本組成單位——堿基對（如A-T和C-G）可以作為量子比特（qubits）使用。堿基對的電子態(tài)在一定條件下可以表現(xiàn)出量子疊加態(tài)和量子糾纏態(tài)，這使得它們具備作為量子信息存儲和處理單元的潛力。

另外，DNA不僅滿足構(gòu)建通用數(shù)字量子計算機的標準——迪文森佐準則（DiVincenzo's criteria），而且即使在高溫（90°C）下，也是最穩(wěn)定的分子。

量子糾纏與量子通信

研究人員探討了兩個超導(dǎo)體之間的約瑟夫森效應(yīng)和含氮堿基凝聚的方法，以獲得形成量子比特的兩個糾纏量子態(tài)并實現(xiàn)量子通信。

通過詳細的數(shù)學(xué)模型，論文展示了如何利用DNA分子實現(xiàn)量子態(tài)的遠距離傳輸（即量子隱形傳態(tài)）。研究了RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄過程中如何利用量子糾纏態(tài)將信息從DNA傳輸?shù)絉NA，以及如何利用RNA聚合酶在DNA轉(zhuǎn)錄過程中保護和操作量子態(tài)，從而實現(xiàn)量子信息的穩(wěn)定傳輸。

量子態(tài)的傳輸與量子門操作

論文提出了一種量子態(tài)傳輸?shù)幕緟f(xié)議。該協(xié)議模擬了基于DNA量子比特的量子計算過程。具體步驟如下：

量子態(tài)的制備：通過特定的生物化學(xué)反應(yīng)制備A-T或C-G堿基對的量子態(tài)。

量子態(tài)的傳輸：利用RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄過程中保護量子態(tài)，并通過特定的量子操作將量子信息從一個堿基對傳輸?shù)搅硪粋€堿基對。

量子門操作：在傳輸過程中應(yīng)用基本的量子門操作（如CNot門），實現(xiàn)量子態(tài)的操控和計算。

結(jié)果與討論

通過一系列的理論分析和計算機模擬，研究人員驗證了基于DNA的量子計算模型的可行性。

結(jié)果表明，DNA堿基對能夠在一定條件下實現(xiàn)穩(wěn)定的量子態(tài)傳輸和糾纏態(tài)的維持。同時，RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄過程中的作用被證明是保護量子態(tài)相干性的重要機制。

論文的最后，討論了該模型的改進方向和未來研究的潛力。提出了幾種可能的實驗方案，以驗證理論模型的可行性和有效性。還探討了如何將該模型應(yīng)用于更復(fù)雜的量子計算任務(wù)，如量子算法的實現(xiàn)和量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

基于DNA的量子計算模型為量子信息處理提供了一種新穎的途徑。通過充分利用DNA分子的生物化學(xué)特性和量子力學(xué)特性，可以在分子水平上實現(xiàn)量子信息的存儲和傳輸。這一研究不僅拓展了量子計算的研究領(lǐng)域，也為生物分子計算和量子生物學(xué)提供了新的視角和方法。

 

（本文作者張曉泉，清華大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院 Irwin and Joan Jacobs 講席教授）

本文僅代表作者觀點。